问题的开始

问题的开始是同事聊到了我们笔试题的一个问题,是说下面这个代码其实在编译的时候是有问题的。

struct UserInfo {
  UserInfo(const std::string& name) : name_(name) {}

 private:
  std::string name_;
};

int main() {
  UserInfo u = "name";
}

最初的讨论和思考

显然在最开始的时候,我并没有发现这个代码的问题所在,并且被告知了在这段代码里面其实是有两个问题的。

在这个简单的例子里面,就涉及到了在规范里面两个很不容易注意到的行为,就像标题里聊的 UDC(user-defined conversion)copy-elision

关于隐式转换(implicit conversion)

main 函数里面唯一的语句,这首先是一个变量的声明和定义,同时还包括了这个变量的初始化(initialize)。在这个变量的初始化阶段,发生了几次类型转换,其中大部分都是隐式的(implicit conversion),并且调用到了不同的构造函数:

const char[5] =[implicit conversion(1)]=> std::string
              =[implicit conversion(2)]=> UserInfo
              =[copy/move(3)]=> UserInfo

第一次发生在字符串字面量(string literal)构造 std::string 的时候,显然这是一个隐式转换,因为并没有显式的调用 std::string 的构造函数,并且这个隐式转换显然是 user-defined 的。

第二次发生在 std::string 构造一个 UserInfo 的时候,这也是一个隐式转换,并且是 user-defined 的。

这两次隐式转换构成了一个隐式转换链(implicit-conversion sequence),问题就出在这个由两个 user-defined conversion 构成的隐式转换链上。在标准的 16.3.3.1 里讨论了有关于 implicit conversionuser-defined conversion 的部分,而在 15.3 里特别提到了:

At most one user-defined conversion (constructor or conversion functions) is implicitly applied to a single value.

在一个隐式转换序列里,只能存在最多一个用户定义的转换。这个条件在标准的隐藏的很深,我在通读标准的时候几次都错过了他们。(但是据说这个问题,曾经在邮件列表里有过蛮激烈的讨论的,但是可惜我那个时候还是个孩子hhh)

所以在这个问题里,发生 ill-formed 的第一个原因是,在一个 implicit conversion sequence 里面,存在多个 user-defined conversion。

关于复制消除(copy elision)

关于复制消除的部分,这里就要提到不同的两个版本,C++17 开始和 C++17 之前。

在 C++17 之前,并没有明确的提出在什么情况下,可以彻底进行复制消除(这里的彻底的指的是包括不进行是否有可用的 copy/move 构造函数的检查)。

所以在 C++17 之前,下面的这段代码是会有编译错误的:

struct Foo {
  Foo(int) {}
  Foo(Foo&&) = delete;
  Foo(const Foo&) = delete;
};

int main() {
  Foo a = 1;
}

可以考虑上面给出的上面那个问题的隐式转换链,这个首先出现的是 source type 的 target type 的不一致,所以出现了一次 user-defined 的 implicit conversion。从类型 int 得到了类型 Foo 的一个 prvalue(这里的 prvalue 很重要)。然后才是从一个 prvalue 构造一个类型 Foo 的对象。

其实我们显然可以知道,第二个过程是会被优化掉的,一般的编译器都会优化成原地构造的。但是标准在这个时候要求了,在这种时候,即使这部分的内容会优化,但是依旧要进行编译时的检查,检查 copy/move 构造函数是否可用,如果不可用,那这个代码依旧是 ill-formed。

但是事情在 C++17 中发成了一个很大的改变 11.6.4.3.9,在一个是 prvalue 的时候,这里会用 direct-initalize,而不是尝试使用 copy/move initialize。也就是说,上面例子的代码在 C++17 之后其实是可以通过编译的。

但是这里要注意,适用的规则是一个 prvalue 的对象,xrvalue 是不可以的。也就是说,下面这样的代码依旧是不能通过编译的:

struct Foo {
  Foo(int = 10) {}

  Foo(Foo&&) = delete;
  Foo(const Foo&) = delete;
};
struct Bar {
  operator Foo&& {
    return std::move(a);
  }
  
  Foo a;
};

int main() {
  Bar b;
  Foo a = b;
}

这里虽然做了一次隐式类型转换(从 BarFoo),但是得到的类型是一个 xrvalue,而 xrvalue 是不适合上面的拷贝消除规则的,所以还会尝试使用 copy/move 构造,得到 ill-formed 的结果。


文中提到的所有标准文档,都采用最新的 C++ 标准文档(ISO/IEC 14882 2017),除非特别指定此时讨论的C++版本。

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