为什么允许 std::initializer_list 不指定大小并同时分配堆栈？

Question

我从here 了解到std::initializer_list 不需要分配堆内存。这对我来说很奇怪，因为您可以在不指定大小的情况下接收 std::initializer_list 对象，而对于数组，您总是需要指定大小。尽管初始化列表在内部几乎与数组相同（正如帖子所暗示的那样）。

我很难理解的是，使用 C++ 作为静态类型语言，每个对象的内存布局（和大小）必须在编译时固定。因此，每个std::array 都是另一个类型，我们只是从一个通用模板中生成这些类型。但是对于std::initializer_list，这条规则显然不适用，因为接收函数或构造函数不需要考虑内存布局（虽然它可以从传递给其构造函数的参数派生）。仅当类型堆分配内存并且仅保留存储以管理该内存时，这对我来说才有意义。那么区别就很像std::array 和std::vector，后者也不需要指定大小。

然而 std::initializer_list 不使用堆分配，正如我的测试所示：

#include <string>
#include <iostream>

void* operator new(size_t size)
{
    std::cout << "new overload called" << std::endl;    
    return malloc(size);
}


template <typename T>
void foo(std::initializer_list<T> args)
{
    for (auto&& a : args)
    std::cout << a << std::endl;
}

int main()
{
    foo({2, 3, 2, 6, 7});

    // std::string test_alloc = "some string longer than std::string SSO";
}

这怎么可能？我可以为自己的类型编写类似的实现吗？每当我演奏编译时管弦乐队时，这真的可以让我免于烧毁我的二进制文件。

编辑：我应该注意，我想问的问题不是编译器如何知道它应该用什么大小来实例化初始化列表（可以通过模板参数推导来实现），而是它如何那么它与初始化列表的所有其他实例没有不同的类型（因此您可以将不同大小的初始化列表传递给同一个函数）。

Answer 1

问题是，std::initializer_list 本身并不包含对象。当你实例化它时，编译器会注入一些额外的代码来在堆栈上创建一个临时数组，并将指向该数组的指针存储在 initializer_list 中。就其价值而言，initializer_list 只不过是一个带有两个指针（或一个指针和一个大小）的结构：

template <class T>
class initializer_list {
private:
  T* begin_;
  T* end_;
public:
  size_t size() const { return end_ - begin_; }
  T const* begin() const { return begin_; }
  T const* end() const { return end_; }

  // ...
};

当你这样做时：

foo({2, 3, 4, 5, 6});

从概念上来说，这就是正在发生的事情：

int __tmp_arr[5] {2, 3, 4, 5, 6};
foo(std::initializer_list{arr, arr + 5});

一个小的区别是，数组的生命周期不超过 initializer_list 的生命周期。

Answer 2

...而对于数组，您总是需要指定大小...

你的意思是喜欢

int a[] = {2, 3, 2, 6, 7};

?

让我难以理解的是，由于 C++ 作为一种静态类型语言，每种语言的内存布局（和大小）都必须在编译时固定。

初始值设定项列表的大小与上面数组的大小一样在编译时固定 - 它是固定的，因为您在编译之前明确写出了括号表达式{2, 3, 2, 6, 7}。

这怎么可能？我可以为自己的类型编写类似的实现吗？

你不能拦截一个braced-init-list的解析，不。你可以see，处理列表初始化的规则非常具体。

但是，std::initializer_list 旨在实现轻量级，因此您可以直接使用它。正如另一个答案所说，您可以将其视为普通的隐式大小数组，并隐式转换为类似范围的视图。

Answer 3

随便补充几句我自己的想法，std::initializer_list 实际上是一种有趣的动物——它是一种嵌合体，部分是 STL，部分是编译器构造。

如果您查看适当的 STL 头文件，您会找到一个定义 API 的定义。但是实际的实现实际上是内置在编译器中的，所以当你写的时候，说：

std::initializer_list <int> l = { 1, 2, 3, 4, 5 };

编译器“啊哈！一个初始化列表（和一个 int 的列表，要启动），我知道那是什么，我会构造一个”。它确实如此。在 STL 本身中没有执行此操作的代码。

换句话说，对于编译器来说，std::initializer_list 部分是原生类型。只是它不是，不是完全的，因此它是独特一个非常精选的俱乐部的成员（请参阅 cmets）。

Answer 4

您似乎有一个误解，即您需要在编译时已知的大小才能在堆栈上分配。事实上，没有技术上的理由禁止在运行时从堆栈中确定大小的对象。事实上，C 明确地允许它使用Variable Length Arrays。有another question on this topic，虽然它询问的是C。

虽然我不知道实际执行手动堆栈分配的合理 C++ 方法（alloca() 是一个坏 想法，而不是真正的 C++ 事情），但没有什么能阻止编译器做给你。

堆栈分配非常简单 - 其他人可能会纠正我，但据我所知，它归结为简单地增加堆栈指针寄存器中的值。