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生存期

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noexcept 說明符 (C++11)
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說明符
const/volatile
decltype (C++11)
auto (C++11)
constexpr (C++11)
consteval (C++20)
constinit (C++20)
儲存期說明符
初始化
 
基本概念
 

每個物件和引用都有生存期（lifetime），它是一個執行時屬性：對於任何物件或引用，在程式執行中都有其生存期開始的一個點，和其結束的一刻。

物件的生存期始於

  • 為其型別獲取了適當對齊方式和大小的儲存，並且
  • 其初始化（若有）完成（包括透過無建構函式或平凡預設建構函式進行的預設初始化），但有例外：
  • 若物件是 union 成員或其子物件，則其生存期僅當該聯合體成員是聯合體中被初始化的成員，或它被設為活躍時才開始，
  • 若物件巢狀於聯合體物件中，其生存期可能在包含它的聯合體物件被平凡特殊成員函式所賦值或構造時開始，
  • 陣列物件的生存期也可能在它被 std::allocator::allocate 分配時開始。

某些操作會在給定的儲存區域中隱式建立隱式生存期型別的物件並開始其生存期。如果一個隱式建立的物件的子物件不是隱式生存期型別，則其生存期不會隱式開始。

物件的生存期終止於

  • 若其為非類型別，則物件被銷燬（可能透過偽解構函式呼叫），或
  • 若其為類型別，則解構函式呼叫開始時，或
  • 該物件所佔據的儲存被釋放，或被一個並非巢狀於其中的物件重用時。

物件的生存期等於其儲存的生存期或在其儲存的生存期之內，見儲存期。

引用的生存期在其初始化完成時開始，並如同標量物件一樣結束。

注意：被引用物件的生存期可能在引用的生存期結束前就終止了，這使得出現懸垂引用成為可能。

非靜態資料成員和基類子物件的生存期遵循類初始化順序開始和結束。

目錄

[編輯] 臨時物件的生存期

當一個純右值被實質化以便用作一個泛左值時，會建立臨時物件，這發生在(C++17 起)下列情形

(C++11 起)
  • 從函式返回一個純右值
  • 建立純右值的轉換（包括 T(a, b, c) 和 T{}）
(C++11 起)
 (C++17 前)

臨時物件的實質化通常會盡可能地延遲，以避免建立不必要的臨時物件：見複製消除。

 (C++17 起)


當一個型別為 T 的物件被傳遞給或從一個可能被求值的函式呼叫返回時，如果 T 是以下型別之一，實現允許建立臨時物件來持有函式形參或結果物件

(C++26 起)
  • 一個滿足以下所有條件的類型別
    • T 至少有一個合格的複製或移動建構函式。
    • T 的每個合格複製/移動建構函式都是平凡的。
    • T 的解構函式是平凡的或被刪除的。

臨時物件分別從函式實參或返回值構造，而函式的形參或返回物件則如同使用合格的平凡建構函式來複制臨時物件一樣被初始化（即使該建構函式不可訪問或不會被過載決議選中來執行物件的複製或移動）。

 （直到 C++26）

臨時物件按如下方式建立

  • 第一個這樣的臨時物件分別從函式實參或返回值構造。
  • 每個後續的臨時物件從前一個初始化，如果 T 是標量型別，則如同透過直接初始化，否則透過使用一個合格的平凡建構函式。
  • 函式形參或返回物件從最後一個臨時物件初始化，如果 T 是標量型別，則如同透過直接初始化，否則透過使用一個合格的平凡建構函式。

在所有情況下，即使該建構函式不可訪問或不會被過載決議選中來執行物件的複製或移動，也會使用合格的建構函式。

 (C++26 起)

授予此自由度是為了允許物件在暫存器中傳遞給函式或從函式返回。

 (C++17 起)

所有臨時物件都在對（詞法上）包含其建立點的完整表示式求值的最後一步被銷燬，並且如果建立了多個臨時物件，它們將以與建立順序相反的順序被銷燬。即使求值以丟擲異常結束，這一點也成立。

對此有以下例外情況

  • 臨時物件的生存期可以透過繫結到引用來延長，詳見引用初始化。
  • 在求值用於初始化或複製陣列元素的預設或複製建構函式的預設實參時建立的臨時物件的生存期，在陣列的下一個元素開始初始化之前結束。
  • 在結構化繫結宣告（由具有唯一名稱的變數的初始化器引入）中建立的臨時物件的生存期被延長至結構化繫結宣告的末尾。
 (C++17 起)
  • 在基於範圍的 for 語句的 range-initializer 中建立的、否則會在 range-initializer 結尾被銷燬的臨時物件的生存期，被延長至迴圈體的末尾。
 (C++23 起)

[編輯] 儲存重用

如果物件是可平凡析構的，程式不需要呼叫其解構函式來結束其生存期（注意程式的正確行為可能依賴於該解構函式）。然而，如果程式顯式地結束了一個非平凡析構的物件的生存期，該物件是一個變數，那麼它必須確保在解構函式可能被隱式呼叫之前，在原地構造一個相同型別的新物件（例如透過放置 new），即，對於自動物件是由於作用域退出或異常，對於執行緒區域性物件是由於執行緒退出(C++11 起)，或對於靜態物件是由於程式退出；否則行為是未定義的。

class T {}; // trivial
 
struct B
{
    ~B() {} // non-trivial
};
 
void x()
{
    long long n; // automatic, trivial
    new (&n) double(3.14); // reuse with a different type okay
} // okay
 
void h()
{
    B b; // automatic non-trivially destructible
    b.~B(); // end lifetime (not required, since no side-effects)
    new (&b) T; // wrong type: okay until the destructor is called
} // destructor is called: undefined behavior

重用一個曾被靜態、執行緒區域性(C++11 起)或自動儲存期的 const 完整物件所佔據的儲存，是未定義行為，因為這類物件可能儲存在只讀記憶體中。

struct B
{
    B(); // non-trivial
    ~B(); // non-trivial
};
const B b; // const static
 
void h()
{
    b.~B(); // end the lifetime of b
    new (const_cast<B*>(&b)) const B; // undefined behavior: attempted reuse of a const
}

在求值 new 表示式時，儲存在從分配函式返回之後，但在 new 表示式的 initializer 求值之前，被認為是重用了。

struct S
{
    int m;
};
 
void f()
{
    S x{1};
    new(&x) S(x.m); // undefined behavior: the storage is reused
}

如果在一個曾被另一個物件佔據的地址上建立了一個新物件，那麼所有指向、引用原物件的指標、引用和名稱將自動指代新物件，並且一旦新物件的生存期開始，就可以用來操作新物件，但前提是原物件能被新物件透明地替換。

如果滿足以下所有條件，物件 x 可被物件 y 透明地替換

  • y 的儲存完全覆蓋 x 所佔據的儲存位置。
  • y 與 x 的型別相同（忽略頂層 cv 限定符）。
  • x 不是一個 const 完整物件。
  • x 和 y 都不是基類子物件，或用 [[no_unique_address]] 宣告的成員子物件(C++20 起)。
  • 滿足以下條件之一
  • x 和 y 都是完整物件。
  • x 和 y 分別是物件 ox 和 oy 的直接子物件，並且 ox 可被 oy 透明地替換。
struct C
{
    int i;
    void f();
    const C& operator=(const C&);
};
 
const C& C::operator=(const C& other)
{
    if (this != &other)
    {
        this->~C();          // lifetime of *this ends
        new (this) C(other); // new object of type C created
        f();                 // well-defined
    }
    return *this;
}
 
C c1;
C c2;
c1 = c2; // well-defined
c1.f();  // well-defined; c1 refers to a new object of type C

如果不滿足上述條件，仍然可以透過應用指標最佳化屏障 std::launder 來獲得一個指向新物件的有效指標。

struct A
{ 
    virtual int transmogrify();
};
 
struct B : A
{
    int transmogrify() override { ::new(this) A; return 2; }
};
 
inline int A::transmogrify() { ::new(this) B; return 1; }
 
void test()
{
    A i;
    int n = i.transmogrify();
    // int m = i.transmogrify(); // undefined behavior:
    // the new A object is a base subobject, while the old one is a complete object
    int m = std::launder(&i)->transmogrify(); // OK
    assert(m + n == 3);
}
 (C++17 起)

類似地，如果在類成員或陣列成員的儲存中建立了一個物件，則建立的物件僅當以下情況才是原物件所在物件的子物件（成員或元素）

  • 所在物件的生存期已經開始且未結束
  • 新物件的儲存完全覆蓋原物件的儲存
  • 新物件與原物件的型別相同（忽略 cv 限定）。

否則，不使用 std::launder 就不能用原子物件的名稱來訪問新物件。

本節不完整
原因：一個合適的例子
 (C++17 起)

[編輯] 提供儲存

作為一種特殊情況，物件可以在 unsigned char 或 std::byte(C++17 起) 的陣列中建立（這種情況下稱該陣列為物件提供儲存），如果

  • 陣列的生存期已經開始且未結束
  • 新物件的儲存完全位於陣列之內
  • 陣列內沒有巢狀的陣列物件滿足這些約束。

如果陣列的那部分先前為另一個物件提供了儲存，則該物件的生存期因其儲存被重用而結束，但陣列本身的生存期不結束（其儲存不被認為被重用了）。

template<typename... T>
struct AlignedUnion
{
    alignas(T...) unsigned char data[max(sizeof(T)...)];
};
 
int f()
{
    AlignedUnion<int, char> au;
    int *p = new (au.data) int;     // OK, au.data provides storage
    char *c = new (au.data) char(); // OK, ends lifetime of *p
    char *d = new (au.data + 1) char();
    return *c + *d; // OK
}

[編輯] 生存期外訪問

在物件的生存期開始之前，但在將要被該物件佔據的儲存已被分配之後；或者，在物件的生存期結束之後，但在該物件所佔據的儲存被重用或釋放之前，以下使用標識該物件的泛左值表示式的行為是未定義的，除非物件正在被構造或析構（適用另一套規則）

  1. 左值到右值的轉換（例如，呼叫一個接受值的函式）。
  2. 訪問非靜態資料成員或呼叫非靜態成員函式。
  3. 將引用繫結到虛基類子物件。
  4. dynamic_cast 或 typeid 表示式。

以上規則也適用於指標（將引用繫結到虛基類被替換為到虛基類指標的隱式轉換），並有兩條附加規則

  1. 對沒有物件的儲存的指標進行 static_cast 僅在轉換為（可能 cv 限定的）void* 時被允許。
  2. 被轉換為可能 cv 限定的 void* 的、指向沒有物件的儲存的指標，只能被 static_cast 為指向可能 cv 限定的 char 或可能 cv 限定的 unsigned char，或可能 cv 限定的 std::byte(C++17 起) 的指標。

在構造和析構期間，通常允許呼叫非靜態成員函式、訪問非靜態資料成員，以及使用 typeid 和 dynamic_cast。然而，因為生存期要麼尚未開始（在構造期間）要麼已經結束（在析構期間），只有特定的操作是允許的。關於一個限制，請參見構造和析構期間的虛擬函式呼叫。

[編輯] 注意

在 CWG 問題 2256 解決之前，非類物件（儲存期結束）和類物件（構造的逆序）的生存期結束規則是不同的。

struct A
{
    int* p;
    ~A() { std::cout << *p; } // undefined behavior since CWG2256: n does not outlive a
                              // well-defined until CWG2256: prints 123
};
 
void f()
{
    A a;
    int n = 123; // if n did not outlive a, this could have been optimized out (dead store)
    a.p = &n;
}

在 RU007 解決之前，一個 const 限定型別或引用型別的非靜態成員會阻止其所在物件被透明地替換，這使得 std::vector 和 std::deque 難以實現。

struct X { const int n; };
union U { X x; float f; };
 
void tong()
{
    U u = { {1} };
    u.f = 5.f;                          // OK: creates new subobject of 'u'
    X *p = new (&u.x) X {2};            // OK: creates new subobject of 'u'
    assert(p->n == 2);                  // OK
    assert(u.x.n == 2);                 // undefined until RU007:
                                        // 'u.x' does not name the new subobject
    assert(*std::launder(&u.x.n) == 2); // OK even until RU007
}

[編輯] 缺陷報告

下列更改行為的缺陷報告追溯地應用於以前出版的 C++ 標準。

缺陷報告 應用於 釋出時的行為 正確的行為
CWG 119 C++98 具有非平凡建構函式的類型別的物件可以
僅在建構函式呼叫完成後才開始其生存期		 生存期也開始了
對於其他初始化
CWG 201 C++98 預設建構函式的預設實參中的臨時物件的生存期
被要求在陣列初始化完成時結束
當陣列的初始化完成時		 生存期結束於
初始化下一個
元素之前（也解決了
CWG 問題 124）)
CWG 274 C++98 一個指定生存期外物件的左值可以被
用作 static_cast 的運算元，僅當轉換
最終為 cv 非限定的 char& 或 unsigned char&		 cv 限定的 char&
和 unsigned char&
也允許
CWG 597 C++98 以下行為是未定義的
1. 一個指向生存期外物件的指標被隱式
轉換為指向非虛基類的指標
2. 一個指代生存期外物件的左值
被繫結到對非虛基類的引用
3. 一個指代生存期外物件的左值被用作
static_cast 的運算元（除少數例外）		 已明確定義
CWG 2012 C++98 引用的生存期被指定為與儲存期匹配，
要求 extern 引用在其初始化器執行前就是存活的		 生存期始於
初始化時
CWG 2107 C++98 CWG 問題 124 的解決方案未應用於複製建構函式 已應用
CWG 2256 C++98 可平凡析構物件的生存期與其他物件不一致 已使其保持一致
CWG 2470 C++98 多於一個數組可以為同一物件提供儲存 只有一個提供
CWG 2489 C++98 char[] 不能提供儲存，但物件
可以在其儲存內被隱式建立		 物件不能被
隱式創建於
char[] 的儲存內
CWG 2527 C++98 如果因為重用儲存而未呼叫解構函式，且
程式依賴於其副作用，則行為是未定義的		 這種情況下行為是
良定義的
CWG 2721 C++98 對於放置 new，儲存重用的確切時間點不明確 已明確
CWG 2849 C++23 函式形參物件被認為是臨時
物件，適用於基於範圍的 for 迴圈的臨時物件生存期延長		 不被視為
臨時物件
CWG 2854 C++98 異常物件是臨時物件 它們沒有
臨時物件
CWG 2867 C++17 在結構化繫結宣告中建立的臨時物件的
生存期未被延長		 延長至宣告
的末尾
P0137R1 C++98 在 unsigned char 陣列中建立物件會重用其儲存 其儲存未被重用
P0593R6 C++98 偽解構函式呼叫沒有效果 它會銷燬物件
P1971R0 C++98 一個 const 限定型別或引用型別的非靜態資料成員
會阻止其所在物件被透明地替換		 限制被移除
P2103R0 C++98 透明可替換性不要求保持原始結構 要求

[編輯] 引用

  • C++23 標準 (ISO/IEC 14882:2024)
  • 6.7.3 物件生存期 [basic.life]
  • 11.9.5 構造與析構 [class.cdtor]
  • C++20 標準 (ISO/IEC 14882:2020)
  • 6.7.3 物件生存期 [basic.life]
  • 11.10.4 構造與析構 [class.cdtor]
  • C++17 標準 (ISO/IEC 14882:2017)
  • 6.8 物件生存期 [basic.life]
  • 15.7 構造與析構 [class.cdtor]
  • C++14 標準 (ISO/IEC 14882:2014)
  • 3 物件生存期 [basic.life]
  • 12.7 構造與析構 [class.cdtor]
  • C++11 標準 (ISO/IEC 14882:2011)
  • 3.8 物件生存期 [basic.life]
  • 12.7 構造與析構 [class.cdtor]
  • C++03 標準 (ISO/IEC 14882:2003)
  • 3.8 物件生存期 [basic.life]
  • 12.7 構造與析構 [class.cdtor]
  • C++98 標準 (ISO/IEC 14882:1998)
  • 3.8 物件生存期 [basic.life]
  • 12.7 構造與析構 [class.cdtor]

[編輯] 參見

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