C++：类/结构是否在编译时初始化？答案

【问题标题】：C++: Are classes/structs ever initialized at compile-time?C++：类/结构是否在编译时初始化？
【发布时间】：2012-05-30 16:14:11
【问题描述】：

假设我用构造函数Foo(int) 编写了一个类Foo。我有这段代码：

Foo a(i), b = a + Foo(2);

如果我在代码中使用常量调用构造函数，例如Foo(2)，编译器是运行一次并存储运行时的结果，还是在运行时执行？ struct/class是否只包含POD数据类型是一样的吗？

假设它在运行时执行（我相信是这种情况），有没有办法让它在编译时运行，或者具有与运行时相同的效果？

编辑：恐怕我没有说清楚。我指的是代码的Foo(2) 部分，它是完全不可变的。另外，我无法使用 C++11（我正在使用 GCC 4.1 并且无法升级），所以 constexpr 虽然有效，但不适合我。

【问题讨论】：

这是在全局范围内还是在函数中？
我正在考虑函数内部的情况。我担心必须多次评估Foo(2)。
完全取决于编译器和优化级别。允许（如果这是问题的话）。它是否会取决于 Foo 是否有副作用，它的简单程度和其他因素。为什么不把它编译成汇编看看呢。

标签： c++ class struct initialization c++03

【解决方案1】：

可以让您的a 使用constant initialization，这是静态初始化，但要做到这一点：

i 多为常量表达式
Foo::Foo(int) 必须是 constexpr
Foo:Foo(int) 使用的任何/所有其他函数/ctor 也必须是 constexpr。

b 的情况也差不多——Foo(2) 必须是 constexpr，Foo::operator+(Foo const &) 或 Foo operator+(Foo const &, Foo const &)（无论你有哪个）必须是 constexpr。

常量表达式的定义在 C++11 标准的 §5.19 中，以防您想更详细地研究。我的直接猜测是，如果Foo 相当简单，a 可能是可能的，但我对b 不太确定。

【讨论】：

【解决方案2】：

假设我用构造函数 Foo(int) 编写了一个类 Foo。我有这段代码：
Foo a(i), b = a + Foo(2);
如果我在代码中用常量调用构造函数，编译器是运行一次，然后将结果存储到运行时，还是在运行时执行？

这有两个层次：

是否可能且合法 w.r.t.完美优化器的标准——实现专家通过无限努力和天才可能做的一切——在编译时做到这一点，和
是编译时行为要求/保证标准。

i 是编译时间常数吗？如果不是，并且传递给Foo::Foo(i) 的i 的值会影响其行为（无论是影响数据成员值还是日志记录等副作用），那么显然在编译时构造 Foo(i) 本质上是不可能的。如果i 是常量，它可能本质上仍然是不可能的——例如构造函数实现可能具有基于当前时间的行为，或者需要查阅其他一些运行时数据。此类问题还可能阻止Foo(2) 在编译时进行评估。

如果i 是常量，并且Foo 的构造函数不依赖于其他仅运行时数据，则可以进行优化。但是，您的代码中没有任何内容需要 C++ 标准甚至尝试任何优化，更不用说能够优化它了。在 Foos 上调用的 + 运算符也是如此......优化可能是合法的，但肯定不是必需的。

在实践中，我希望大多数当前主流编译器会针对编译时常量 i 优化 Foo(i) 的简单情况，但会遇到解决加法的挑战。如果您真的想知道，请在各种优化级别为您的编译器尝试它......

假设它在运行时执行（我相信是这种情况），有没有办法让它在编译时运行，或者具有与运行时相同的效果？

是的...你可能会从constexpr 中获得一些信息，这是 C++11 引入的一个关键字，它告诉编译器需要在编译时解析某些值（如果你 constexpr 用于变量/编译器在编译时不需要支持的值会报错）。

其次，通常可以使用模板来表达编译时操作。为了让自己朝这个方向迈进，您可能需要搜索“C++ 模板阶乘编译时”或类似内容，以了解如何编写基本计算。

【讨论】：

正确答案。如果Foo 是int 的简单包装，而operator+(Foo, Foo) 只是类型安全的int+int，那么编译器甚至可以优化该位。

【解决方案3】：

“as-if”规则适用，即编译器可以做它喜欢做的任何事情，前提是程序的可观察行为与标准中描述的行为相同。

如果：

Foo 的构造函数在 TU 中可见，
析构函数~Foo也是如此，
它们都没有任何副作用，
他们的结果不依赖于任何需要在运行时计算出来的东西（比如时间，或者一些非常量对象的值，据我们所知，在你的代码执行时可能已经被修改了） ,
operator+ 是可见的，并且不会做任何事情让 RHS 的地址“逃逸”到未知代码中，或将其地址用于可观察的行为（例如将其打印出来），或做任何其他实际需要对象的事情在那里，

然后，一个足够聪明的优化器可以完全消除 Foo(2) 临时值，并且在 operator+ 使用 RHS 的数据成员的任何地方，只要使用它知道这些成员将拥有的任何值。

或者，作为较小的优化，它可以将值放入程序数据部分中Foo 实例的布局中，并将其用作Foo(2)。我想这就是您存储运行时结果的意思。

这种优化是否真的发生完全是特定于实现的，并且取决于您使用的编译器和标志。反汇编代码看看到底发生了什么。

如果您执行以下操作，您可以确保 Foo(2) 在 C++03 中只计算一次：

static Foo foo2(2);
Foo a(i), b = a + foo2;

foo2 （根据标准）在运行时计算，即代码第一次执行。同样，编译器可以在编译时调用“as-if”规则来执行部分或全部计算，但这不是必需的。

【讨论】：

【解决方案4】：

Foo a(i), b = a + Foo(2);

这种初始化发生在运行时，而不是编译时。

编译时初始化只发生在内置类型上，如果它们的初始化器可以在编译时计算，或者它们被声明为全局变量，或者static。在后两种情况下，它们在编译时被初始化为零。我在这里详细解释了这一点：

What is dynamic initialization of object in c++?

【讨论】：

【解决方案5】：

已编译的代码在执行过程中可能会在不同的时间点被调用。编译代码后，Foo(2) 的值可能是不可变的。

【讨论】：

投反对票不是因为你错了，而是因为我不明白你在说什么。
也错了。 Foo(2) 的值很可能取决于构造时间，因此不是编译时间常数。

【解决方案6】：

这发生在运行时。如果您希望它在编译时发生，那么您需要对值进行硬编码。

【讨论】：