复制消除

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省略复制及移动 (C++11 起)构造函数，导致零复制的按值传递语义。

解释

下列环境下，要求编译器省略类对象的复制和移动构造，即使复制/移动构造函数和析构函数拥有可观察副作用。直接将对象构造到它们本来要复制/移动到的存储中。只要语言确保不发生复制/移动操作，复制/移动构造函数就不必存在或可访问，即使在概念上： 

T f() {
    return T();
}
 
f(); // 仅调用一次 T 的默认构造函数
  • 在变量的初始化中，当初始化器表达式为与变量类型为同一类类型的纯右值（忽略 cv 限定）时： 
T x = T(T(f())); // 仅调用一次 T 的默认构造函数以初始化 x

注意：上述规则并不指定优化：针对纯右值和临时量的 C++17 核心语言规定本质上不同于之前的 C++ 版本：不再有用以复制/移动的临时量。描述 C++17 语义的另一种方式是“传递未实质化的值”：返回并使用纯右值时不实质化临时量。

(C++17 起)

下列环境下，容许但不要求编译器省略类对象的复制和移动 (C++11 起)构造，即使复制/移动 (C++11 起)构造函数和析构函数拥有可观察副作用。直接将对象构造到它们本来要复制/移动到的存储中。这是一项优化：即使进行了优化而不调用复制/移动 (C++11 起)构造函数，它仍然必须存在且可访问（如同完全未发生优化），否则程序非良构：

  • return 语句中，当操作数是拥有自动存储期的非 volatile 对象的名字，其并非函数形参或 catch 子句形参，且其具有与函数返回类型相同的类类型（忽略 cv 限定）时。这种复制消除的变体被称为 NRVO，“具名返回值优化 (named return value optimization)”。
  • 在对象的初始化中，当源对象是无名临时量且与目标对象具有相同类型（忽略 cv 限定）时。当无名临时量为 return 语句的操作数时，称这种复制消除的变体为 RVO，“返回值优化 (return value optimization)”。
(C++17 前)

返回值优化是强制要求的，而不再被当做复制消除；见上文。

(C++17 起)
  • throw 表达式中，当操作数是具有自动存储期的非 volatile 对象的名字，其并非函数形参或 catch 子句形参，且其作用域不延伸超过最内层的 try 块（若有 try 块）时。
  • catch 子句中，当实参与抛出的异常对象具有相同类型（忽略 cv 限定）时，省略异常对象的复制，而该 catch 子句体直接访问该异常对象，如同按引用捕获它一样（不可能从异常对象移动，因为它始终是左值）。如果这种复制消除会因为除了跳过该 catch 子句形参的复制构造函数和析构函数之外的任何原因，导致程序的可观察行为发生改变，则它被禁止（例如，当修改了 catch 子句的实参，并以 throw 重新抛出异常对象时）。
(C++11 起)
  • 在协程中，可以消除将形参向协程状态内的复制/移动，只要除了对形参的构造函数与析构函数的调用被忽略以外，不改变程序的行为即可。若在暂停点后始终不使用形参，或者整个协程状态本就始终不在堆上分配，则可出现此情形。
(C++20 起)

进行复制消除时，实现将被省略的复制/移动 (C++11 起)操作的源和目标，单纯地当做指代同一对象的两种不同方式，而该对象的销毁，发生于假如不进行优化时两个对象本应被析构的时机的较迟者（但若被选择的构造函数的形参是对象类型的右值引用，则其销毁发生于目标对象本应被销毁时） (C++17 起)。

可以连锁多次复制消除，以消除多次复制。 

struct A {
    void *p;
    constexpr A(): p(this) {}
};
 
constexpr A g()
{
    A a;
    return a;
}
 
constexpr A a;          // a.p 指向 a
// constexpr A b = g(); // 错误： b.p 会悬垂，并会指向有自动存储期的临时量
 
void g()
{
    A c = g();          // c.p 可能指向 c 或转瞬即逝的临时量
}
 
extern const A d; 
constexpr A f()
{
    A e;
    if (&e == &d)
        return A();
    else
        return e;
    // 在常量求值中强制 NRVO 会导致矛盾，即当且仅当不执行 NRVO 时执行 NRVO
} 
// constexpr A d = f(); // 错误： d.p 悬垂
 (C++14 起)

注解

复制消除是允许改变可观察副作用的唯一得到允许的优化形式 (C++14 前)两种允许的优化形式之一，另一种是分配消除与扩展 (C++14 起)。因为一些编译器并不在所有允许的场合中进行复制消除（例如 debug 模式下），依赖于复制/移动构造函数和析构函数的副作用的程序是不可移植的。

在 return 语句或 throw 表达式中，若编译器不能进行复制消除，但满足或本应满足复制消除的条件（排除源是函数形参的情况），即使对象由左值代表，编译器也将尝试使用移动构造函数；细节见 return 语句。

(C++11 起)

示例

运行此代码
#include <iostream>
#include <vector>
 
struct Noisy {
    Noisy() { std::cout << "constructed\n"; }
    Noisy(const Noisy&) { std::cout << "copy-constructed\n"; }
    Noisy(Noisy&&) { std::cout << "move-constructed\n"; }
    ~Noisy() { std::cout << "destructed\n"; }
};
 
std::vector<Noisy> f() {
    std::vector<Noisy> v = std::vector<Noisy>(3); // 从临时量 (C++17 前)
                                                  // 从纯右值 (C++17 起)
                                                  // 初始化 v 中的复制消除
    return v; // 从 v 到结果对象的 NRVO（C++17 中仍不保证）
}             // 若禁用优化，则调用移动构造函数
 
void g(std::vector<Noisy> arg) {
    std::cout << "arg.size() = " << arg.size() << '\n';
}
 
int main() {
    std::vector<Noisy> v = f(); // 从 f() 返回的临时量 (C++17 前)
                                // 从纯右值 f() (C++17 起)
                                // 初始化 v 中的复制消除
    g(f());                     // 从 f() 返回的临时量 (C++17 前)
                                // 从纯右值 f() (C++17 起)
                                // 初始化 g() 的形参中的复制消除
}

可能的输出： 

constructed
constructed
constructed
constructed
constructed
constructed
arg.size() = 3
destructed
destructed
destructed
destructed
destructed
destructed

缺陷报告

下列更改行为的缺陷报告追溯地应用于以前出版的 C++ 标准。

DR 应用于 出版时的行为 正确行为
CWG 2022 C++14 常量表达式中复制消除曾为可选 强制复制消除
CWG 2278 C++14 曾在常量表达式中强制 NRVO 在常量表达式中禁止 NRVO

参阅

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