为什么可以在不使用std::move的情况下返回std::unique_ptr？

Question

unique_ptr<T> 不允许复制构造，而是支持移动语义。然而，我可以从函数中返回一个 unique_ptr<T> 并将返回值赋给一个变量。

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

unique_ptr<int> foo()
{
  unique_ptr<int> p( new int(10) );

  return p;                   // 1
  //return move( p );         // 2
}

int main()
{
  unique_ptr<int> p = foo();

  cout << *p << endl;
  return 0;
}

上面的代码编译并按预期工作。那么为什么第1行不会调用拷贝构造函数并导致编译错误呢？如果我必须使用第2行，那就说得通了（使用第2行也可以，但我们不需要这样做）。

我知道C++0x允许对unique_ptr进行这种例外处理，因为返回值是一个临时对象，它将在函数退出时被销毁，从而保证了返回指针的唯一性。我对这是如何实现的很好奇，它是在编译器中特殊处理的，还是利用了语言规范中的其他条款？

- Praetorian

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假设你正在实现一个“工厂”方法，你会更喜欢1还是2返回工厂的输出？我认为这将是1最常见的用法，因为使用适当的工厂，您实际上希望构造的物品所有权传递给调用者。 - Xharlie

@Xharlie？它们都传递了unique_ptr的所有权。整个问题是关于1和2是实现相同目标的两种不同方式。 - Praetorian

在这种情况下，RVO 在 c++0x 中也会发生，unique_ptr 对象的销毁将在 main 函数退出后进行一次，而不是在 foo 退出时进行。 - ampawd

Answer 1

这里使用了语言规范中的另一个条款，你可以参考12.8 §34和§35：

当特定条件满足时，实现允许省略类对象的复制/移动构造函数[...] 这种省略复制/移动操作的行为被称为复制省略，它是允许的[...] 在带有类返回类型的函数的返回语句中，当表达式是具有与函数返回类型相同的cv-unqualified类型的非易失性自动对象的名称时。

当符合省略复制操作的条件并且要复制的对象由左值指定时，会首先进行重载解析以选择用于复制的构造函数，就像对象是由右值指定一样。

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还想补充一点，返回值应该默认选择按值返回，因为在 C++11、C++14 和 C++17 中，在最坏的情况下，即没有省略的情况下，返回语句中的命名值将被视为右值。所以例如以下函数可以通过-fno-elide-constructors标志编译：

std::unique_ptr<int> get_unique() {
  auto ptr = std::unique_ptr<int>{new int{2}}; // <- 1
  return ptr; // <- 2, moved into the to be returned unique_ptr
}

...

auto int_uptr = get_unique(); // <- 3

编译时设置了标志，此函数中发生了两次移动（1和2），之后又发生了一次移动（3）。

- fredoverflow

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这个答案说一个实现允许做某事...它并没有说它必须这样做，所以如果这是唯一相关的部分，那就意味着依赖这种行为是不可移植的。但我认为这不对。我倾向于认为正确的答案与移动构造函数有更多关系，就像Nikola Smiljanic和Bartosz Milewski的答案中描述的那样。 - Don Hatch

@DonHatch说，它说在那些情况下执行复制/移动省略是“允许”的，但我们这里不是在谈论复制省略。适用于此处的是第二个引用段落，它依附于复制省略规则，但并不是复制省略本身。第二段没有任何不确定性- 它完全可移植。 - Joseph Mansfield

@juanchopanza 我知道现在已经过去了2年，但是你是否仍然认为这是错误的？正如我在之前的评论中提到的那样，这不是关于复制省略的问题。恰好在可能适用复制省略的情况下（即使不能使用std::unique_ptr），有一个特殊规则首先将对象视为右值。我认为这完全符合Nikola所回答的内容。 - Joseph Mansfield

这种复制省略被称为RVO或返回值优化。在C++11之前就已经存在了。请参阅https://en.wikipedia.org/wiki/Copy_elision#Return_value_optimization - jaques-sam

为什么我在返回移动语义类型（已删除复制构造函数）时，按照这个例子的方式完全相同，仍然会收到“尝试引用已删除的函数”的错误？ - jaques-sam

Answer 2

这并不是特定于std::unique_ptr，而是适用于任何可移动的类。由于您是按值返回，语言规则保证了它。编译器尝试消除副本，如果无法消除，则调用移动构造函数，如果无法移动，则调用复制构造函数，如果无法复制，则编译失败。

如果您有一个接受std::unique_ptr作为参数的函数，则无法将p传递给它。您必须显式调用移动构造函数，但在此情况下，在调用bar()之后不应使用变量p。

void bar(std::unique_ptr<int> p)
{
    // ...
}

int main()
{
    unique_ptr<int> p = foo();
    bar(p); // error, can't implicitly invoke move constructor on lvalue
    bar(std::move(p)); // OK but don't use p afterwards
    return 0;
}

- Nikola Smiljanić

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@Fred - 其实不完全是这样。尽管 p 不是一个临时变量，但 foo() 的返回结果是一个临时值（rvalue），因此可以被移动，这使得在 main 中的赋值成为可能。我想说你的观点是错误的，但 Nikola 似乎将这个规则应用于 p 本身，这一点是错误的。 - Edward Strange

正是我想说的，但找不到措辞。由于那部分回答不太清晰，我已将其删除。 - Nikola Smiljanić

我有一个问题：在原始问题中，第1行和第2行之间是否存在实质性的区别？在我的看法中，它们是相同的，因为在main函数中构造p时，只关心foo的返回类型，对吗？ - Hongxu Chen

@HongxuChen 在这个例子中完全没有区别，可以看一下被接受的答案中标准的引用。 - Nikola Smiljanić

实际上，只要你给它赋值，之后就可以使用p了。在此之前，你不能尝试引用其内容。 - Alan

即使RVO仍然需要std::unique_ptr的拷贝构造函数，但它已被删除以成为移动语义，不是吗？ - jaques-sam

Answer 3

unique_ptr没有传统的复制构造函数。相反，它具有使用右值引用的“移动构造函数”：

unique_ptr::unique_ptr(unique_ptr && src);

右值引用（双重“&&”）只会绑定到右值。这就是为什么当您尝试将左值unique_ptr传递给函数时会出现错误的原因。另一方面，从函数返回的值被视为右值，因此移动构造函数会自动调用。

顺便说一下，这将正常工作：

bar(unique_ptr<int>(new int(44));

这里的临时unique_ptr是一个右值（rvalue）。

- Bartosz Milewski

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我认为重点在于为什么p（显然是一个_lvalue_）可以在foo函数定义中的返回语句return p;中被视为_rvalue_。我不认为该函数自身的返回值有任何问题可以“移动”。 - CB Bailey

将函数返回值用std::move包装，这意味着它会被移动两次吗？ - user712850

@RodrigoSalazar：std::move 只是将左值引用（&）转换成右值引用（&&）的一种高级类型转换。在右值引用上过度使用 std::move 将只是一个空操作。 - TiMoch

Answer 4

我认为Scott Meyers的Effective Modern C++中的第25项完美地解释了这一点。以下是摘录：

标准中赞成RVO的部分继续说，如果满足了RVO的条件，但编译器选择不执行复制省略，则必须将返回的对象视为rvalue。实际上，标准要求在允许RVO时，要么执行复制省略，要么对返回的局部对象隐式应用std::move。

这里，RVO指的是返回值优化，而如果满足RVO的条件意味着返回函数内声明的局部对象，你期望做RVO，这也是他在书中通过参照标准（这里的局部对象包括返回语句创建的临时对象）很好地解释的。从摘录中最重要的收获是要么执行复制省略，要么对返回的局部对象隐式应用std::move。Scott在第25项中提到，当编译器选择不省略复制时，会隐式应用std::move，程序员不应该显式这样做。

在您的情况下，代码显然是 RVO 的候选对象，因为它返回局部对象 p，并且 p 的类型与返回类型相同，这导致了副本省略。如果编译器选择不省略副本，出于任何原因，std::move 将会进入第一行。

- David Lee

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这是RVO吗？在《C++程序设计语言第四版》的第113页上显示了一行代码return unique_ptr<X>{ new X{i} };，我认为这是纯粹的移动语义，而不是RVO。如果将这行代码改成以下两行，是否会变成RVO呢？unique_ptr<X> mypX{ new X{i} }; return mypX; - Will

Answer 5

其他回答中没有提到的一点是为了澄清其他回答，在返回在函数内创建的std::unique_ptr和被传递给该函数的std::unique_ptr之间存在差异。

示例如下：

class Test
{int i;};
std::unique_ptr<Test> foo1()
{
    std::unique_ptr<Test> res(new Test);
    return res;
}
std::unique_ptr<Test> foo2(std::unique_ptr<Test>&& t)
{
    // return t;  // this will produce an error!
    return std::move(t);
}

//...
auto test1=foo1();
auto test2=foo2(std::unique_ptr<Test>(new Test));

- v010dya

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在 fredoverflow 的回答 中提到了 "自动对象"，明确指出引用（包括右值引用）不是自动对象。 - Toby Speight

@TobySpeight 好的，抱歉。我想我的代码只是一个澄清。 - v010dya

谢谢您的回答！我已经试图调试由此引起的问题好几天了，阅读这个答案让我意识到了问题所在。 - Nick Alger

我可以问一下为什么在foo2中需要使用std::move()吗？ - Hua

@Hua unique_ptr 无法被复制，只能被移动。 - v010dya

Answer 6

我想提到一个情况，在这种情况下您必须使用std::move()，否则它会产生错误。 情况：如果函数的返回类型与本地变量的类型不同。

class Base { ... };
class Derived : public Base { ... };
...
std::unique_ptr<Base> Foo() {
     std::unique_ptr<Derived> derived(new Derived());
     return std::move(derived); //std::move() must
}

参考文献：https://www.chromium.org/developers/smart-pointer-guidelines

（提示：该链接为英文页面，可能需要使用翻译工具）

- Vicky Gupta

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但是如果我删除std::move，编译时就不会出现错误。如果复制构造函数无法调用，编译器将尝试调用移动构造函数。因此，在这里使用std::move可能是多余的。 - Jllobvemy

似乎您所引用的文档并未提到在此情况下应使用std::move()。我认为恰恰相反。 - shargors

Answer 7

我知道这是一个老问题，但我认为这里缺少了一个重要而清晰的参考。

来自https://en.cppreference.com/w/cpp/language/copy_elision：

（自C++11以来）在return语句或throw表达式中，如果编译器无法执行复制省略，但满足或将满足复制省略的条件，除了源是函数参数之外，编译器将尝试使用移动构造函数，即使对象由左值指定；有关详细信息，请参见return语句。

- whoan