聚合型別與POD型別

Lippman在《深度探索C++物件模型》的前言中寫道：

I have heard a number of people over the years voice opinions similar to those of your colleagues. In every case, those opinions could be attributed to a lack of factual knowledge about the C++ language. Just last week I was chatting with an acquaintance who happens to work for an IC testing manufacturer, and he said they don't use C++ because "it does things behind your back." When I pressed him, he said that he understood that C++ calls malloc() and free() without the programmer knowing it. This is of course not true. It is this sort of "myth and legend" that leads to opinions such as those held by your colleagues….

Finding the right balance [between abstraction and pragmatism] requires knowledge, experience, and above all, thought. Using C++ well requires effort, but in my experience the returns on the invested effort can be quite high.

要想C++學得好、用得好，了解編譯器在你背后做的事情是很有必要的，

在C++中有一類特殊的型別，聚合型別，可以被看作是純正的資料型別；聚合型別有一個子集，POD型別，C++可以通過POD型別與其他語言互動，C++11定義了標準的記憶體模型，POD的概念被淡化，取而代之的是平凡性與標準布局，

在介紹這些型別分類之前，我們先來了解幾種初始化，

零初始化

零初始化，顧名思義，就是初始化成零，零是指該型別的零，可能不是每一位都是0的表示，

在以下情形中，零初始化被執行：

• static T object;

• T();

• T t = {};

• T{};

• CharT array[n] = "";

最后一種指的是字串字面量長度不足陣列長度，剩余的部分被零初始化，

零初始化和常量初始化與下面要講的默認初始化和值初始化不在一個層次上，前者是靜態存盤期限物件的行為，后者是初始化器的行為，

默認初始化

當一個物件沒有初始化器時，它被默認初始化，包括以下情形：

• T object;；

• new T；

• 沒有包含在建構式初始化串列的成員物件，

默認初始化的效果是遞回的：

• 對于型別別，默認建構式被呼叫；

• 對于陣列型別，每個元素被默認初始化；

• 其他情況，什么都不做，物件被初始化為非確定值，

依據上面的規則，全域作用域下的int i;會被默認初始化，i會擁有非確定值，然而我們又知道，作為一個靜態存盤期限的物件，i的初始值是0，事實上，i先被零初始化，再被默認初始化，第二步中它的0值保持不變，

合成的默認建構式對每個物件執行默認初始化，即使是顯式= default也一樣，類中的非型別別物件的初始值是非確定的，參見C++類成員默認初始值，

訪問一個非確定值的行為是未定義的，盡管那個物件可能只是一個普通整數，但如果較起真來，程式直接崩潰也是符合預期的，沒有什么理由需要使用一個非確定值，如果需要亂數可以用專門的亂數設施，

值初始化

當一個物件的初始化器為空時，它被值初始化，包括以下情形：

• T()；

• new T()；

• Class::Class(...) : member() { ... }；

• 空的串列初始化，

串列初始化包括前三種把()換成{}，以及T object{};，但后者沒有對應的圓括號版本，因為T object();是在宣告一個函式，

值初始化的行為是：

• 對于有用戶提供的默認建構式的型別，執行默認初始化；

• 對于隱式宣告或顯式= default默認建構式的型別，先執行零初始化，再執行默認初始化；

• 如果是陣列型別，對每個元素值初始化；

• 否則，零初始化，

所謂用戶提供的建構式，是指有{...}定義的，= default和= delete不在此列，

值初始化的意義在于它可以提供確定的物件，標準庫容器在以容器大小為引數的建構式中，執行的初始化就是元素型別的值初始化，

聚合型別

聚合型別的概念在C++的發展中有過許多細節調整，這里先根據C++11標準講解，

聚合型別是陣列型別，或滿足以下條件的型別別：

• 沒有private或protected非靜態資料成員；

• 沒有用戶提供的建構式；

• 沒有基類；

• 沒有虛函式；

• 沒有類內初始化，

注意，這個定義不是遞回的——聚合型別的成員完全可以是非聚合型別，

初始化一個聚合型別的方式有：

• T object = {arg1, arg2, ...};；

• T object{arg1, arg2, ...};，

C++14解禁了類內初始化；C++17允許基類，但不能是private、protected或virtual，相應地建構式不能有繼承的，還加了一條不能有explicit的；C++20又把建構式的要求改回了沒有用戶宣告的建構式（= default也不行了），雖然每次修改都有道理，但是頻繁修改語言核心真心頭疼，至于C99中的指定元素名稱的初始化，也在C++20中才進入標準，

聚合初始化的行為是：

• 所有基類、陣列、非靜態資料成員，按照在類中的出現順序與陣列下標的順序，從初始化串列中的對應項拷貝初始化；

• 除了串列初始化以外，隱式轉換都是允許的；

• 聚合初始化是遞回的——如果初始化串列中有嵌套串列，對應項會被串列初始化；

• 不指定長度的陣列可以從初始化串列推導長度，非靜態資料成員除外；

• 靜態資料成員與未命名的位域跳過；

• 初始化串列的長度不能超過需要初始化的基類與成員的數量；

• 如果長度不夠，包括初始化串列為空：

  • 如果有類內初始化，用它；

  • 否則按照串列初始化的規則，對于非型別別和非聚合型別別，值初始化；

  • 對于聚合型別，遞回使用該規則；

  • 沒有對應初始化項的成員不能有參考型別的，否則報錯；

• 對于聯合體，只有第一個成員被初始化，

學習聚合型別的規則，重在理解聚合初始化的行為——初始化要做的就是、只是拷貝構造每一個成員，這樣就不難解釋一些行為，比如，由于靜態資料成員不是物件的一部分，因此在初始化時被跳過；虛函式和虛基類會引入vptr之類的東西，在初始化串列中沒有體現，因而不被允許，這種思考方式在C++中是很實用的，

POD型別

在C++11以前，POD（Plain Old Data）型別定義為下列型別之一：

• 標量型別，包括算術型別（整數與浮點數）、指標、成員指標、列舉型別、std::nullptr_t（C++11特性，只是為了給標量型別一個完整的定義）；

• POD型別的陣列型別；

• 型別別，滿足：

  • 是聚合型別；

  • 沒有非POD的非靜態資料成員；

  • 沒有參考型別的成員；

  • 沒有用戶提供的拷貝建構式；

  • 沒有用戶提供的解構式，

從C++11起，上述最后一大類修改為：

• 是平凡型別（見下）；

• 是標準布局型別（見下）；

• 沒有非POD的非靜態資料成員、

那我們先來看這兩個定義，

平凡

一個平凡（trivial）的型別是這樣的型別：

• 符合TriviallyCopyable要求；

• 有一個或多個默認建構式，每個都是平凡的（稍后解釋）或洗掉的，至少有一個不是洗掉的，

對應型別特征（type trait）is_trivial，

TriviallyCopyable的要求是指：

• 每個拷貝建構式都是平凡的或洗掉的；

• 每個移動建構式都是平凡的或洗掉的；

• 每個拷貝賦值運算子都是平凡的或洗掉的；

• 每個移動賦值運算子都是平凡的或洗掉的；

• 解構式是平凡的、非洗掉的；

• TriviallyCopyable型別的陣列仍然是TriviallyCopyable的，

這里有很多平凡，我不打算一一列出其要求，它們大致上講了同一件事：

• 不是用戶提供的；

• 所在類沒有虛擬，包括虛基類和虛函式；

• 對型別中的每個非靜態成員，遞回該要求，

平凡的建構式還有一條：沒有類內初始化，

標準布局

平凡規定了物件控制行為，標準布局（StandardLayoutType，is_standard_layout）則規定了物件模型：

• 所有非靜態資料成員都有相同的訪問控制等級，即同為public、同為protected或同為private（這是因為，編譯器有權把相同訪問等級的成員安排在一起，那樣會破壞布局）；

• 沒有虛擬；

• 沒有非靜態資料成員是參考型別；

• 對基類和非靜態資料成員型別遞回要求StandardLayoutType；

• 不能有同一個基類被繼承兩次，即所謂菱形繼承（virtual早就已經否決了）；

• 繼承鏈中只有一個型別有非靜態資料成員；

• 為了不與慷訓類優化沖突，基類不能有以下型別：

  • 對于非聯合型別，第一個非靜態資料成員的型別；

  • 對于聯合型別，所有非靜態成員型別；

  • 對于陣列型別，其元素型別；

  • 以及這些型別遞回呼叫這條規則產生的型別，有點計算LL(1)分析演算法中FIRST集的味道，

現在可以回到POD型別了，POD是特殊的型別，它有許多非POD型別不具有的性質：

• 完全與C兼容，但是仍然可以有成員函式；POD型別標準到甚至可以與其他語言兼容；

• 可以用std::memcpy拷貝（對于非POD型別，即使滿足TriviallyCopyable，用std::memcpy拷貝的行為也是未定義的）；

• 有更長的生命周期，從資源獲取到資源釋放，而非POD型別的是從建構式結束到解構式結束；

• goto陳述句不能跳過變數的定義，但POD型別的是允許的；

• POD型別物件的前部沒有填充位元組，即物件指標與第一個成員的指標是相等的，

標籤：C++

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