C++非const的引用不能指向临时对象

迷南。 2022-08-13 12:36 151阅读 0赞

#  #

# C++标准的规定：非常量的引用不能指向临时对象 #

例如：

const string &temp = "c++"; 是正确的。

但是string &temp = “c++”; 是错误的，因为该语句首先调用string的构造函数，生成一个临时对象，但是将该临时对象复制给一个非const的引用temp就是错误的。

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C++中有这样一种对象：它在代码中看不到，但是确实存在。它就是临时对象---由编译器定义的一个没有命名的非堆对象（non-heap object）。为什么研究临时对象？主要是为了提高程序的性能以及效率，因为临时对象的构造与析构对系统性能而言绝不是微小的影响，所以我们应该去了解它们，知道它们如何造成，从而尽可能去避免它们。

临时对象通常产生于以下4种情况：

1.  类型装换
2.  按值传递
3.  按值返回
4.  对象定义

下面我们逐一看看：

# 1、类型转换 #

它通常是为了让函数调用成功而产生临时对象。发生于 “传递某对象给一个函数，而其类型与它即将绑定上去的参数类型不同” 的时候。

## 例如： ##

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  void test(const string& str);
2.  
3.  char buffer\[\] = "buffer";
4.  
5.  test(buffer); // 此时发生类型转换

此时，编译器会帮你进行类型转换：它产生一个类型为string的临时对象，该对象以buffer为参数调用string constructor。当test函数返回时，此临时对象会被自动销毁。

注意：对于引用（reference）参数而言，只有当对象被传递给一个reference-to-const参数时，转换才发生。如果对象传递给一个reference-to-non-const对象，不会发生转换。

例如：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  void upper（string& str);
2.  
3.  char lower\[\] = "lower";
4.  
5.  upper(lower); // 此时不能转换，编译出错

此时如果编译器对reference-to-non-const对象进行了类型转换，那么将会允许临时对象的值被修改。而这和程序员的期望是不一致的。试想，在上面的代码中，如果编译器允许upper运行，将lower中的值转换为大写，但是这是对临时对象而言的，char lower\[\]的值还是“lower”，这和你的期望一致吗？

有时候，这种隐式类型转换不是我们期望的，那么我们可以通过声明constructor为explicit来实现。explicit告诉编译器，我们反对将constructor用于类型转换。

例如：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  explicit string(const char\*);

# 2、按值传递 #

这通常也是为了让函数调用成功而产生临时对象。当按值传递对象时，实参对形参的初始化与T formalArg = actualArg的形式等价。

例如：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  void test（T formalArg);
2.  
3.  T actualArg;
4.  test(actualArg);

此时编译器产生的伪码为：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  T \_temp;
2.  
3.  \_temp.T::T(acutalArg); // 通过拷贝构造函数生成\_temp
4.  g(\_temp); // 按引用传递\_temp
5.  \_temp.T::~T(); // 析构\_temp

因为存在局部参数formalArg，test（）的调用栈中将存在formalArg的占位符。编译器必须复制对象actualArg的内容到formalArg的占位符中。所以，此时编译器生成了临时对象。

另一个例子：

void upper(string& str) {
    }
    int main() {
    	upper(string("aa"));
    }

在VS2010下编译运行没错；在g++(gcc 4.4.3)下出错：

test.cpp:30: error: invalid initialization of non-const reference of type ‘std::string&’ from a temporary of type ‘std::string’
    test.cpp:28: error: in passing argument 1 of ‘void test(std::string&)’

虽然main函数中显示用string的构造函数产生了临时对象作为upper函数的参数，但是upper函数形参为非const引用，因此非const的引用指向临时对象，所以出错。

# 3、按值返回 #

如果函数是按值返回的，那么编译器很可能为之产生临时对象。

例如：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  class Integer \{
2.  public:
3.  friend Integer operator+(const Integer& a, const Integer& b);
4.  
5.  Integer(int val=0): value(val) \{
6.  \}
7.  
8.  Integer(const Integer& rhs): value(rhs.value) \{
9.  \}
10. 
11. Integer& operator=(const Integer& rhs);
12. 
13. ~Integer() \{
14. \}
15. 
16. private:
17. int value;
18. \};
19. 
20. Integer operator+(const Integer& a, const Integer& b) \{
21. Integer retVal;
22. 
23. retVal.value = a.value + b.value;
24. 
25. return retVal;
26. \}
27. 
28. Integer c1, c2, c3;
29. c3 = c1 + c2;

编译器生成的伪代码：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  struct Integer \_tempResult; // 表示占位符，不调用构造函数
2.  operator+(\_tempResult, c1, c2); // 所有参数按引用传递
3.  c3 = \_tempResult; // operator=函数执行
4.  
5.  Integer operator+(const Integer& \_tempResult, const Integer& a, const Integer& b) \{
6.  struct Integer retVal;
7.  retVal.Integer::Integer(); // Integer(int val=0)执行
8.  
9.  retVal.value = a.value + b.value;
10. 
11. \_tempResult.Integer::Integer(retVal); // 拷贝构造函数Integer(const Integer& rhs)执行，生成临时对象。
12. 
13. retVal.Integer::~Integer(); // 析构函数执行
14. 
15. return;
16. \}
17. 
18. return retVal;
19. \}

如果对operator+进行 **返回值优化**（RVO：Return Value Optimization），那么临时对象将不会产生。

例如：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  Integer operator+(const Integer& a, const Integer& b) \{
2.  return Integer(a.value + b.value);
3.  \}

编译器生成的伪代码：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  Integer operator+(const Integer& \_tempResult, const Integer& a, const Integer& b) \{
2.  \_tempResult.Integer::Integer(); // Integer(int val=0)执行
3.  \_tempResult.value = a.value + b.value;
4.  
5.  return;
6.  \}

对照上面的版本，我们可以看出临时对象retVal消除了。

另外一个例子：

#include <iostream>
    #include <string>
    using namespace std;
    
    class Person {
    public:
    	Person::Person(string n = "a", string a = "b") {
    		name = n;
    		address = a;
    	}
    	void display() {
    		cout << name << " " << address << endl;
    	}
    private:
    	string name;
    	string address;
    };
    
    //test函数返回一个Person类对象
    Person test() {
    	Person per;
    	return per;
    }
    int main() {
    	//Person类的非const引用指向test函数返回值
    	Person& pa = test(); 
    }

如上的程序在VS2010下编译运行没有错误；但是在g++(gcc version 4.4.3)下编译出错：

test.cpp:33: error: invalid initialization of non-const reference of type ‘Person&’ from a temporary of type ‘Person’

按照本文开始所述的几种产生临时对象的类别看，test函数的返回会产生一个Person类的临时对象，而 **main函数中用非const的引用指向该临时对象**，而“C++不允许将非const的引用指向临时对象”，因此，g++编译出错（在main函数中为引用pa加上const就不会出错）。而VS之所以没出错，是因为VS在编译时由编译器做优化（返回值优化）了：test函数不会产生临时对象，而是将test函数编译为类似下面的结果：

void test(Person& __result) {
        __result.Person::Person();
       return;
    }

如上的优化结果表明test函数并不会产生一个临时对象。

# 4、对象定义： #

例如：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  Integer i1(100); // 编译器肯定不会生成临时对象
2.  Integer i2 = Integer(100); // 编译器可能生成临时对象
3.  Integer i3 = 100; // 编译器可能生成临时对象

然而，实际上大多数的编译器都会通过优化省去临时对象，所以这里的初始化形式基本上在效率上都是相同的。

备注：

临时对象的生命期：按照C++标准的说法，临时对象的摧毁，是对完整表达式求值过程中的最后一个步骤。该完整表达式照成了临时对象的产生。

完整表达式通常是指包含临时对象表达式的最外围的那个。例如：

（（objA >1024）&&（objB <1024） ） ？ （objA - objB） ：（objB-objA）

这个表达式中一共含有5个表达式，最外围的表达式是？。任何一个子表达式所产生的任何一个临时对象，都应该在完整表达式被求值完成后，才可以销毁。

临时对象的生命周期规则有2个例外：

1、在表达式被用来初始化一个object时。例如：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  String progName("test");
2.  String progVersion("ver-1.0");
3.  String progNameVersion = progName + progVersion

如果progName + progVersion产生的临时对象在表达式求值结束后就析构，那么progNameVersion就无法产生。所以，C++标准规定：含有表达式执行结果的临时对象，应该保留到object的初始化操作完成为止。

小心这种情况：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  const char\* progNameVersion = progName + progVersion

这个初始化操作是一定会失败的。编译器产生的伪码为：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  String \_temp;
2.  operator+(\_temp, progName, progVersion);
3.  progNameVersion = \_temp.String::operator char\*();
4.  \_temp.String::~String();

2、当一个临时对象被一个reference绑定时。例如：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  const String& name = "C++";

编译器产生的伪码为：

**\[cpp\]** [ view plain][view plain] [copy][view plain]

1.  String \_temp;
2.  temp.String::String("C++");
3.  const String& name = \_temp;

针对这种情况，C++标准上是这样说的：如果一个临时对象被绑定于一个reference，对象将保留，直到被初始化的reference的生命结束，或直到临时对象的生命范围结束-----看哪种情况先到达而定。

参考书籍：

1、《深度探索：C++对象模型》

2、《提高C++性能的编程技术》

3、《Effective C++》

4、《more effective C++》