引用在表达式模板中变得悬空

Question

我写了一个表达式模板代码，但出现了错误。
以下只是一个最小的可重现示例。

#include <iostream>

template<typename Derived>
class VecExp {
 public:
  double operator[](int i) const {return static_cast<Derived const&>(*this)[i];}
};

template<int n>
class Vector : public VecExp<Vector<n>> {
 public:

  template<int m>
  Vector(const double(&arr)[m]) {
    static_assert(m==n, "");
    for(int i=0; i<m; ++i) data[i] = arr[i];
  }

  template<typename E>
  Vector(const VecExp<E>& exp) {
    for(int i=0; i<n; ++i) data[i] = exp[i];
  }

  double operator[](int i) const {std::cout<<this<<std::endl; return data[i];}
  double& operator[](int i) {return data[i];}
  double data[n];
};

template<typename E1, typename E2>
class VectorSum : public VecExp<VectorSum<E1, E2>>{
  E1 const& lhs;
  E2 const& rhs;
 public:

  VectorSum(E1 const& lhs, E2 const& rhs) : lhs(lhs), rhs(rhs) {
//    std::cout << &(this->lhs) << ", " << &(this->rhs) << std::endl;
  }

  double operator[](int i) const {return lhs[i] + rhs[i];}
};

template<typename E1, typename E2>
VectorSum<E1, E2>
operator + (VecExp<E1> const& lhs, VecExp<E2> const& rhs) {
  return VectorSum<E1, E2>(*static_cast<const E1*>(&lhs), *static_cast<const E2*>(&rhs));
}

int main() {
  Vector<16> v({1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16});
  std::cout << &v << std::endl;
  const auto sum = v + v + v + v;
  Vector<16> v2 = sum; // error at here

  std::cout << sum[0] << std::endl;

  return 0;
}

当我尝试使用添加超过 3 个Vectors 的VectorSum<...>（sum in main()）时，在发布版本中会出现以下错误。

Exception 0xc0000005 encountered at address 0x7ff76f8a1189: Access violation reading location 0x00000000

所以我像上面一样连接了指针打印机，然后它说

00000067C1EFF920
0000000000000000

Process finished with exit code -1073741819 (0xC0000005)

如果我附加更多打印机（即：在operator + 或VecSum ctor，...），那么突然一切正常。
谁能告诉我为什么会发生这个错误？

在 Windows 上使用 CLion，安装了 Visual Studio community 2019。

Answer 1

v + v 是VectorSum<Vector<16>, Vector<16>> 类型的表达式。

v + v + v 是VectorSum<VectorSum<Vector<16>, Vector<16>>, Vector<16>> 类型的表达式，其中第一个模板参数的类型很重要：

   VectorSum<VectorSum<Vector<16>, Vector<16>>, Vector<16>>
//           ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ (B)
// ^^^^^^^^^ (A)

与此特化关联的对象A 存储B const& 类型的常量引用，但是一旦表达式v + v + v 到期，子表达式v + v 的生命周期也会到期，这意味着您正在存储一个表达式对象(A)中的悬空引用（作为数据成员lhs）。

仅存储表达式v + v 的表达式模板时看不到此问题的原因是，关联的特化对象的lhs 和rhs 数据成员都引用了其生命周期的对象v延伸到main() 的末尾。

最后，在使用诸如auto 等占位符类型将表达式模板存储在中间变量中时要小心，因为它会 1) 可能会产生诸如上述问题的生命周期问题，并且 2) 可能会出乎意料普通读者，正如人们所期望的那样（与std::vector<bool>::operator[] 比较））auto = v + v 会导致decltype(v)（即Vector<16>），而不是应该对客户端隐藏的代理类型。