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c++ - 使用对临时对象的引用的表达式模板可以重复使用吗？

问题描述

我正在尝试围绕表达式模板进行思考。在wikipedia article 中，给出了一个示例，其中表达式模板VecSum存储对其两个操作数的const 引用。AVec是一个表达式模板，它包含一个std::vector<double>. 我将首先提出我的问题，然后对下面的示例进行完整的概述。

我可以重用使用 const 对临时对象的引用的表达式吗？如果没有，我将如何实现轻量级、可重复使用的表达式模板？

对于三个Vec, a,b和c表达式a+b+c是类型

VecSum<VecSum<Vec, Vec>, Vec>

如果我理解正确，内部VecSum是临时的，外部VecSum存储对内部的 const 引用VecSum。我相信在表达式被评估之前，内部VecSum临时的生命周期是有保证的。正确的？这是否意味着在没有创建悬空引用的危险的情况下不能重用表达式？a+b+c

auto expr = a + b + c;
Vec v1 = expr; // ok
Vec v2 = expr; // not ok!

如果是这样，如何修改此示例，以便

完整代码示例

为了完整起见 - 如果同时更新了 wikipedia 文章，让我在这里重复示例代码并给出一个示例main，我相信它会创建一个悬空引用。

#include <cassert>
#include <vector>

template <typename E>
class VecExpression {
  public:
    double operator[](size_t i) const 
    {
        // Delegation to the actual expression type. This avoids dynamic polymorphism (a.k.a. virtual functions in C++)
        return static_cast<E const&>(*this)[i];
    }
    size_t size()               const { return static_cast<E const&>(*this).size(); }
};

class Vec : public VecExpression<Vec> {
    std::vector<double> elems;

  public:
    double operator[](size_t i) const { return elems[i]; }
    double &operator[](size_t i)      { return elems[i]; }
    size_t size() const               { return elems.size(); }

    Vec(size_t n) : elems(n) {}

    // construct vector using initializer list 
    Vec(std::initializer_list<double> init) : elems(init) {}

    // A Vec can be constructed from any VecExpression, forcing its evaluation.
    template <typename E>
    Vec(VecExpression<E> const& expr) : elems(expr.size()) {
        for (size_t i = 0; i != expr.size(); ++i) {
            elems[i] = expr[i];
        }
    }
};

template <typename E1, typename E2>
class VecSum : public VecExpression<VecSum<E1, E2> > {

    E1 const& _u;
    E2 const& _v;

public:

    VecSum(E1 const& u, E2 const& v) : _u(u), _v(v) {
        assert(u.size() == v.size());
    }

    double operator[](size_t i) const { return _u[i] + _v[i]; }
    size_t size()               const { return _v.size(); }
};

  

template <typename E1, typename E2>
VecSum<E1, E2>
operator+(VecExpression<E1> const& u, VecExpression<E2> const& v) {
   return VecSum<E1, E2>(*static_cast<const E1*>(&u), *static_cast<const E2*>(&v));
}

int main() {

    Vec v0 = {23.4,12.5,144.56,90.56};
    Vec v1 = {67.12,34.8,90.34,89.30};
    Vec v2 = {34.90,111.9,45.12,90.5};

    auto expr = v0 + v1 + v2;
    Vec v1 = expr; // ok
    Vec v2 = expr; // not ok!
}

编辑：

我刚刚意识到这可能是这个问题的重复。然而，这两个问题的答案非常不同，而且都很有用。

标签： c++expression-templates

解决方案

上面的评论有一个非常有效的方法来检查悬空引用的问题。请注意，如果您尝试从示例中的 main 函数打印值，该程序仍然可以工作，因为绑定了悬空引用的对象也将在 main 的堆栈空间中创建。我试图将分配给 expr 的代码移动到函数内，但程序按预期崩溃（临时对象将在另一个堆栈帧中）：

auto makeExpr1(Vec const& v0, Vec const& v1, Vec const& v2) {
    return v0 + v1 + v2;
}
// ... in main:
auto expr = makeExpr1(v0, v1, v2);

您在此处突出显示的问题出现在创建可以在 C++ 等语言中延迟评估的表达式的情况下。在范围表达式（C++20 范围）的上下文中可能会出现某种类似的情况。下面是我修复该代码并使其与使用运算符 + 添加的左值和右值一起工作的快速尝试（对于丑陋的部分和可能的错误，我深表歉意）。这将仅在它们超出范围时存储它们的操作数的副本，并且将导致旧代码中的悬空引用。

关于可重用性：只要您为每个操作定义一个类型和一个相应的运算符“？” 函数（'？' 是操作的符号）这个方法应该为您提供对此类向量的任何二元操作的起点。

#include <cassert>
#include <vector>
#include <utility>
#include <iostream>

/*
 * Passes lvalues and stores rvalues
 */
template <typename T> class Wrapper;

template <typename T> class Wrapper<T&> {
    private:
        T& ref;

    public:
        Wrapper(T& ref) : ref(ref) {}
        T& get() { return ref; }
        const T& get() const { return ref; }
};

template <typename T> class Wrapper<T&&> {
    private:
        T value;

    public:
        Wrapper(T&& ref) : value(std::move(ref)) {}
        T& get() { return value; }
        const T& get() const { return value; }
};


template <typename E>
class VecExpression {
  public:
    double operator[](size_t i) const 
    {
        // Delegation to the actual expression type. This avoids dynamic polymorphism (a.k.a. virtual functions in C++)
        return static_cast<E const&>(*this)[i];
    }
    size_t size()               const { return static_cast<E const&>(*this).size(); }
};


/*
 * Forwards the reference and const qualifiers
 *  of the expression type to the expression itself
 */
template <typename E> constexpr E& forwardRef(VecExpression<E>& ve) {
    return static_cast<E&>(ve);
}

template <typename E> constexpr const E& forwardRef(const VecExpression<E>& ve) {
    return static_cast<const E&>(ve);
}

template <typename E> constexpr E&& forwardRef(VecExpression<E>&& ve) {
    return static_cast<E&&>(ve);
}


class Vec : public VecExpression<Vec> {
    std::vector<double> elems;

  public:
    double operator[](size_t i) const { return elems[i]; }
    double &operator[](size_t i)      { return elems[i]; }
    size_t size() const               { return elems.size(); }

    Vec(size_t n) : elems(n) {}

    // construct vector using initializer list 
    Vec(std::initializer_list<double> init) : elems(init) {}

    // A Vec can be constructed from any VecExpression, forcing its evaluation.
    template <typename E>
    Vec(VecExpression<E> const& expr) : elems(expr.size()) {
        std::cout << "Expr ctor\n"; // Very quick test
        for (size_t i = 0; i != expr.size(); ++i) {
            elems[i] = expr[i];
        }
    }

    // Move ctor added for checking
    Vec(Vec&& vec) : elems(std::move(vec.elems)) {
        std::cout << "Move ctor\n";  // Very quick test
    }
};


/*
 * Now VecSum is a sum between possibly const - qualified
 *  and referenced expression types
 */
template <typename E1, typename E2>
class VecSum : public VecExpression<VecSum<E1, E2>> {

    Wrapper<E1> _u;
    Wrapper<E2> _v;

public:

    VecSum(E1 u, E2 v) : _u(static_cast<E1>(u)), _v(static_cast<E2>(v)) {
        assert(_u.get().size() == _v.get().size());
    }

    double operator[](size_t i) const { return _u.get()[i] + _v.get()[i]; }
    size_t size()               const { return _v.get().size(); }
};

/*
 * Used to create a VecSum by capturing also the reference kind
 *  of the arguments (will be used by the Wrapper inside VecSum)
 */
template <typename E1, typename E2>
auto makeVecSum(E1&& e1, E2&& e2) {
    return VecSum<E1&&, E2&&>(std::forward<E1>(e1), std::forward<E2>(e2));
}


/*
 * Now the operator+ takes the vector expressions by universal references
 */
template <typename VE1, typename VE2>
auto operator+(VE1&& ve1, VE2&& ve2) {
   return makeVecSum(forwardRef(std::forward<VE1>(ve1)), forwardRef(std::forward<VE2>(ve2)));
}


// Now this will work
auto makeExpr1(Vec const& v0, Vec const& v1, Vec const& v2) {
    return v0 + v1 + v2;
}

// This will also work - the rvalue is stored in the
//  expression itself and both will have the same lifetime
auto makeExpr2(Vec const& v0, Vec const& v1) {
    return v0 + v1 + Vec({1.0, 1.0, 1.0, 1.0});
}

int main() {

    Vec v0 = {23.4,12.5,144.56,90.56};
    Vec v1 = {67.12,34.8,90.34,89.30};
    Vec v2 = {34.90,111.9,45.12,90.5};

    auto expr = makeExpr1(v0, v1, v2);
    Vec v1_ = expr;
    Vec v2_ = expr;
    auto expr_ = makeExpr2(v0, v1);

    for (size_t i = 0; i < v1_.size(); ++i)
        std::cout << v1_[i] << " ";
    std::cout << std::endl;

    for (size_t i = 0; i < v2_.size(); ++i)
        std::cout << v2_[i] << " ";
    std::cout << std::endl;

    for (size_t i = 0; i < expr.size(); ++i)
        std::cout << expr[i] << " ";
    std::cout << std::endl;

    for (size_t i = 0; i < expr_.size(); ++i)
        std::cout << expr_[i] << " ";
    std::cout << std::endl;
}

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