初始化 (Initialization) c++

初始化 (Initialization)

初始化的形式
- Direct-initialization
- Copy-initialization
初始化的含义
Value initialize
Default initialize
Zero initialize
List initialize
- narrowing conversion
字符数组初始化
聚合（aggregate）初始化
- Aggregate
引用初始化

基于c++20 draft n4868
初始化的形式通常讲到初始化，会想起变量的时候给的初始化值(initializer)。但是除此之后，还有一些地方会发生对象的初始化。所有的这些初始化操作遵从同一套规则。
初始化按照其形式，可以分为两大类，direct-initialization与copy-initialization
Direct-initialization

变量定义中初始化值无=
- int i{1}; std::vector vec(3);
new-initializer
- int *p = new int(3);，使用3初始化一个新建的int对象
static_cast
- static_cast 会使用其参数初始化一个结果类型的对象，如：static_cast(2.0);，其中使用2.0初始化一个int对象。
函数调用像是的类型转换
- int(2.0)，其中使用2.0初始化一个int类型的对象
condition 中的 brace-init-list
- if (Derived *pDerived{dynamic_cast(pBase)})，使用 dyanmic_cast(pBase) 初始化 pDerived

Copy-initialization

变量定义中使用 = 形式初始化
- int i = 1; ，使用 1 初始化 i
condition 中使用 = 形式初始化
- if (Derived *pDerived = dynamic_cast(pBase))，使用 dyanmic_cast(pBase) 初始化 pDerived
参数传递，函数返回值
- 【初始化 (Initialization)】示例：
  
  int foo(int i) { return i+1; } void bar() { foo(1); }
  
  使用 1 初始化 foo 的参数 i，使用 i+1 初始化函数的返回值（右值）
抛出异常，异常捕获
- 示例：
  
  void foo() { std::string s{123}; try { throw s; } cache (string &es) { } }
  
  在 throw s; 中，使用 s 初始化一个临时对象。在 cache (string &es) 中，临时对象的左值用于初始化 es。这两个初始化都是 copy initialize
聚合成员初始化。在聚合初始化中，每个成员的初始化都是 copy initialization
- std::string str[]{"abc", "def"}，使用 "abc" 初始化 str[0] ，使用 "def" 初始化 str[1] 都是 copy-initialize 。注意对 str 的初始化使用的是 direct-initialize 的形式。

初始化的含义根据被初始化对象的类型与初始化的形式不同，初始化会有不同的含义。具体初始化含义见下。copy-initialize 与 direct-initialize 均使用如下定义。

如果 initializer 是一个 braced-init-list 或者 = branced-init-list ，执行列表初始化
如果目标类型是引用类型，则执行引用初始化
如果目标类型是 char, singed char, unsigned char, char8_t, char16_t, char32_t, wchar_t 的数组，initializer 是一个 string-literal ，执行字符数组初始化
如果 initializer 是 () ，执行 value-initialze
如果目标类型是数组，initializer 应该是 ( pxpression-list )，且其中的元素个数不应比数组长度更多。数组中的元素将依次由 epression-list 中的值 copy-initialize。对没有提供值的元素（数组长度比 expression-list 长），进行 value-initialize
如果目标类型是类类型(class type):
- 如果 initializer 是一个右值并且与目标类型相同（忽略 cv-qualifier），则 initializer 用于初始化目标对象
- 如果 1) 这是 direct initialization ；或者 2) 这是 copy initialization 且源类型与目标类型相同，或者是目标类型的派生类，那么使用构造函数初始化
  - 如果可以找到唯一可用的构造函数，那么该构造函数用于初始化对象
  - 如果没有可用的构造函数，且目标类型是一个聚合(aggregate class)，intializer 为 ( expression-list ) ，则使用 expression-list 中的值依次 copy initialize对应元素。未初始化值的元素执行 value initialize。
  - 否则，程序非法
- 否则，尝试用户定义类型转换（包括构造函数）。不能找到合适的类型转换的程序非法。类型转换的结果将被用于 direct initialize 目标对象。
否则，如果源类型是一个类类型，将尝试用户定义类型转换。不能找到合适的类型转换的程序非法。
否则，如果这个是一个 direct initialization ，原类型是 std::nullptr_t，目标类型是 bool ，则目标对象被初始化为 false
否则，如果需要，可以使用一个标准转换序列(stand conversion sequence)将源对象转换为目标类型。无法转换则程序非法。

Value initialize 对一个类型 value initialize 含义是：

如果其为类类型，则
- 如果该类没有默认构造函数，或者有用户提供的（user-provided）或 deleted 默认构造函数，该对象被 default initialize
- 否则，对象被 zero initialize；并且，如果该类有 non-trivial 默认构造函数，该对象被 value initialize。
  - 例如
    
    #include struct A{ int a; std::string s; }; int main() { A a_obj{}; // a_obj.a == 0 }
    
    类 A 有默认构造函数（自动生成的），该默认构造函数不是 user-provided ，也不是 deleted，因而进入该条处理。
    a_obj 被 zero initialize 。另外，由于其默认构造函数是 non-trivial （它含有个一个 std::string 成员），因而被进一步默认构造。
    由于有 zero initialize 存在，a_obj.a == 0。
如果目标对象类型为数组，则数组的每一个元素被 value initialize
否则，对象被 zero initialize

Default initialize 对一个类型 default initialize 含义是：

对类类型，调用默认构造函数。
对数组类型，每一个元素被 default initialize
其他，不执行初始化操作

Zero initialize 对一个类型 default initialize 含义是：

scalar type 初始化为 0
对非 union 类类型，其 padding 被初始化为 0，非静态数据成员，基类被 zero initialize
对 union ，padding 被初始化为 0 ，第一个非静态成员被 zero initialize
对数组，每一个元素被 zero initialize
对引用，不进行初始化

List initialize

如果 brace-init-list 包含 designated-initializer-list ，目标类型必须为聚合（aggregate class），其中成员的出现顺序需要与定义顺序一致。执行聚合初始化（aggregate initialize）
如果目标是聚合类（aggregate class），initializer list 仅包含一个元素，其类型与目标类型相同或者是其派生类，那么使用该元素初始化目标对象。
如果目标类型是数组，initializer list 仅包含一个元素，且为合适类型的字符串字面量，则执行字符数组初始化。
如果目标类型是聚合类型（aggregate class），执行聚合初始化
如果initializer list 为空，目标类型为有默认构造函数的类类型，目标对象被 value initialize
如果目标类型是 std::initializer_list ：创建一个 const E[N] 类型的数组，其中每一个元素用 initializer list 中的元素 copy initialize ，目标对象将引用这个数组。（如果任何一个元素初始化是需要 narrowing conversion，则程序非法）
如果目标类型是类类型，使用构造函数初始化。（如果参数初始化时需要 narrowing conversion，程序非法）
如果目标类型是有确定 underlying type 的枚举，intiiailizer list 仅含有一个元素，该元素可以被隐式转换为目标类型的 underlying type ，并且该初始化是 direct initialization，则目标对象的值为源对象转换为目标类型的 underlying type 后的值。（不可以是 copy initialize；如果需要 narrawing conversion ，程序非法）
如果 initialize list 有唯一元素，目标类型不为引用或者为一个 reference related to 源类型的引用，目标对象（或引用）由该元素初始化（如果需要 narrowing conversion，程序非法）
如果目标类型是引用，则用 initializer 执行 copy list initialize 初始化一个被引用类型的 prvalue，目标引用由该 prvalue direct initialize
如果 initializer list 为空，目标对象被 value initialize
其他，程序非法

narrowing conversion
narrowing conversion 包括：

从浮点类型到整形的转换
从 long double 到 double 或 float，从 double 到 float 的转换，除非源值为常量表达式，且其在目标类型中可表示（包括可表示但无法精确表示的情况）
从整形或 unscoped enueration type 到浮点类型的转换，除非源值是一个常量表达式，且转换结果在目标类型可表示，且将转换结果再转换为源类型时其值不变
从整形或 unscoped enueration type 到整型的转换，该整型无法表示源类型中的所有值，除非源值是一个常量表达式，其值在经过 integral promotion 之后在目标类型可表示
从指针或指向成员的指针类型到 bool

字符数组初始化字符数组可以用字符串字面量初始化。字符数组的类型需要与字符串字面量类型匹配。字符数组的中的元素由字符串字面量中的对应元素进行初始化。
字符串字面量（包括最后的 '\0'）不能比字符数组更长。如果字符串字面量较短，多余的数组元素将被 zero initialize 。
聚合（aggregate）初始化 Aggregate
满足以下条件的数组或类（union 也是一种类）称作 aggregate:

没有声明构造函数，或继承（注：使用 using）构造函数
没有私有或保护的非静态数据成员
没有虚函数
没有虚的、私有的或被保护的基类

aggregate 的成员指：

对于数组，指它的每一个元素
对于类，指按声明顺序的每一个直接基类，以及按声明顺序的每一个非静态数据成员（如果类中有匿名联合（union），匿名联合本身是 aggregate 的一个成员，但匿名联合的成员不是）

对于显式提供了值的成员，将使用该值进行 copy initialize。如果需要 narrowing conversion，程序非法。对于匿名联合（anonymous union），只能对其中一个成员提供初始化。
对于非 union 的 aggregate 中没有被显式初始化的成员：

如果成员声明了 default member initializer，使用该值初始化
如果该成员不是引用，使用 {} copy initialize
否则，程序非法

当一个 union aggregate 被使用 {} 初始化时：

如果任意成员（variant member）有 default member initializer，使用该值初始化这一成员
否则，union 的第一个成员使用 {} 初始化

aggregate 的成员如果也是 aggregate ，子 aggregate 的初始化列表（在某些情况下）可以省略 {, }。空 {} 不能省略。如果省略，那么接下来的 initializer 全部被用于初始化子 aggregate ，直到子 aggregate 所有成员都有了 initializer 。剩余的 initializer 用于初始化父 aggregate 的剩余成员。
引用初始化先要介绍两个概念：

类型 cv1 T1 与 cv2 T2 是 reference related ，表示 T1 与 T2 相似（约等于相同），或 T1 是 T2 的基类。
类型 cv1 T1 与 cv2 T2 是 reference compitable 表示指向 cv2 T2 的指针可以通过一个标准转换序列（standard conversion sequence）转换为指向 cv1 T1 的指针。（约等于 cv1 > cv2，并且 T1 与 T2 相同，或者是 T2 的（可访问的且无歧义的）基类）

使用 cv2 T2 的值初始化 cv1 T1 的引用规则如下：

目标是左值引用并且满足以下条件之一：
- initialize 为左值，cv1 T1 与 cv2 T2 是 reference compitable，引用绑定到该值（或其基类子对象）
- T2 是类，但 T1 与 T2 并非 reference related，但 T2 可以转换为一个 cv3 T3 的左值，且 cv1 T1 与 cv3 T3 是 reference compitable 的，引用绑定到转换后的 T3 的左值（或其基类子对象）
否则，如果目标为非常量左值引用，或者 volatile 左值引用，程序非法
否则：（以下为绑定至右值，prvalue 会被转换为 glvalue）
- 如果初始化值为一个右值（非位域），或一个函数，且 cv1 T1 与 cv2 T2 是 reference compitable，引用绑定到该值（或其基类子对象）
- T2 是类，但 T1 与 T2 并非 reference related，但 T2 可以转换为一个 cv3 T3 的右值（或函数），且 cv1 T1 与 cv3 T3 是 reference compitable 的，引用绑定到转换后的 T3 的 glvalue（或其基类子对象）
否则：
- 如果 T1 或 T2 是类，且 T1 与 T2 并非 reference related，则尝试通过自定义转换使用初始化值初始化一个 cv1 T1 的对象（如不能初始化相应的对象，则程序非法）。转换的结果将用于初始化目标引用。
- 其他情况，初始化值将被隐式转换为 cv1 T1。引用绑定值转换的结果。
  - 如果 T1 与 T2 是 reference related，那么 cv1 应大于 cv2 ，不能用 lvalue 初始化 rvalue reference 。
例如：

struct Banana { }; struct Enigma { operator const Banana(); }; struct Alaska { operator Banana&(); }; void enigmatic() { typedef const Banana ConstBanana; Banana &&banana1 = ConstBanana(); // error Banana &&banana2 = Enigma(); // error Banana &&banana3 = Alaska(); // error } const double& rcd2 = 2; // rcd2 refers to temporary with value 2.0 double&& rrd = 2; // rrd refers to temporary with value 2.0 const volatile int cvi = 1; const int& r2 = cvi; // error: cv-qualifier dropped struct A { operator volatile int&(); } a; const int& r3 = a; // error: cv-qualifier dropped // from result of conversion function double d2 = 1.0; double&& rrd2 = d2; // error: initializer is lvalue of related type struct X { operator int&(); }; int&& rri2 = X(); // error: result of conversion function is lvalue of related type int i3 = 2; double&& rrd3 = i3; // rrd3 refers to temporary with value 2.0