C++23 std::start_lifetime_as：用于隐式生存期类型的显式生存期管理函数 (P2590R2)

一、C++23简介

C++23是C++编程语言的一个重要版本，它在C++20的基础上进行了补充和优化，引入了多个关键的新特性和改进，旨在进一步提升语言的功能和开发效率。与C++20相比，C++23的变化虽然没有那么显著，但依然对语言的稳固性和可用性做出了许多重要改进，解决了一些细节问题，并引入了新的编程工具和方法。

二、std::start_lifetime_as 基本概念

std::start_lifetime_as 是C++23标准库中定义于 <memory> 头文件的一个实用工具函数。其主要作用是允许开发者在未初始化的存储区域内创建对象，并通过在该存储位置构造给定类型的对象来对其进行初始化。

函数原型

template< class T >
T* start_lifetime_as( void* p ) noexcept;template< class T >
const T* start_lifetime_as( const void* p ) noexcept;template< class T >
volatile T* start_lifetime_as( volatile void* p ) noexcept;template< class T >
const volatile T* start_lifetime_as( const volatile void* p ) noexcept;

模板参数

• T：要创建的对象的类型，T 必须是隐式生命周期类型（ImplicitLifetimeType），并且必须是完整类型。否则，程序将是格式错误的。

参数

• p：指向未初始化存储区域的指针，该区域必须是已分配的存储区域，并且该区域必须为 T 类型进行了适当的对齐。

返回值

返回一个指向新创建的 T 类型对象的指针。

注意事项

• 该函数隐式地创建一个完整的 T 类型对象（其地址为 p）以及嵌套在其中的对象。对于每个 TriviallyCopyable 类型 U 的创建对象 obj，其值的确定方式与调用 std::bit_cast<U>(E) 相同，只是实际上不会访问存储，其中 E 是表示 obj 的 U 类型的左值。否则，此类创建对象的值是未指定的。
• 如果 [p, (char*)p + sizeof(T)) 不表示一个已分配存储区域的子集，或者该区域没有为 T 进行适当的对齐，则行为是未定义的。

示例代码

#include <iostream> 
#include <memory> struct Point {int x;int y; 
}; int main() {alignas(Point) unsigned char buffer[sizeof(Point)];Point* p = std::start_lifetime_as<Point>(buffer);p->x = 2;p->y = 5;std::cout << "Point coordinates: " << p->x << ", " << p->y << std::endl;return 0; 
}

在上述示例中，我们首先创建了一个未初始化的存储区域 buffer，其大小和对齐方式与 Point 类型相匹配。然后，我们使用 std::start_lifetime_as 函数在该存储区域内创建了一个 Point 对象，并通过返回的指针 p 对其成员进行了赋值和访问。

三、std::start_lifetime_as 的作用

在C++编程中，对象的生存期管理是一个重要的问题。对于一些隐式生存期类型的对象，传统的生存期管理方式可能会比较繁琐或者效率低下。std::start_lifetime_as 的出现解决了这些问题，它提供了一种简洁、高效的方式来管理隐式生存期类型对象的生存期。

1. 避免复杂的拷贝操作

在某些情况下，如果需要在已有的存储区域上创建一个新的对象，传统的做法可能需要进行复杂的拷贝操作。例如，先将存储区域的内容复制到临时位置，使用放置新（placement new）创建对象，再将内容复制回原位置，最后使用 std::launder 来获取指向新对象的指针。而 std::start_lifetime_as 可以直接在原存储区域上创建对象，避免了这些复杂的拷贝操作，提高了代码的简洁性和效率。

2. 保持对象表示不变

std::start_lifetime_as 在创建对象时，会保持对象的表示不变。对于 TriviallyCopyable 类型的对象，其值的确定方式与调用 std::bit_cast 相同，只是实际上不会访问存储。这意味着在创建对象的过程中，不会改变存储区域的二进制内容，从而保证了对象的初始状态与存储区域的原始内容一致。

3. 简化代码逻辑

使用 std::start_lifetime_as 可以简化代码逻辑，使代码更加清晰易懂。开发者无需手动处理复杂的内存管理和对象创建过程，只需要调用该函数即可在指定的存储区域上创建对象。

四、std::start_lifetime_as 的使用场景

1. 内存池管理

在内存池管理中，通常会预先分配一大块内存，然后在需要时从这块内存中分配小块内存给对象使用。当需要在已分配的内存块上创建对象时，可以使用 std::start_lifetime_as 来直接在该内存块上创建对象，避免了额外的内存分配和释放操作，提高了内存使用效率。

2. 类型双关（Type Punning）

类型双关是指在不改变内存内容的情况下，将同一块内存解释为不同的类型。std::start_lifetime_as 可以用于实现类型双关，通过在已有的存储区域上创建不同类型的对象，从而实现对同一块内存的不同解释。

3. 序列化和反序列化

在序列化和反序列化过程中，需要将对象的状态保存到二进制数据中，或者从二进制数据中恢复对象的状态。std::start_lifetime_as 可以用于在反序列化过程中，直接在已有的二进制数据存储区域上创建对象，从而避免了额外的内存分配和数据复制操作。

五、std::start_lifetime_as 与隐式生存期类型的关系

隐式生存期类型的概念

隐式生存期类型是指那些在存储分配时自动开始其生存期，并且在存储释放时自动结束其生存期的类型。这些类型通常包括标量类型（如整数、浮点数等）、TriviallyCopyable 类型（如 POD 类型）以及数组等。

与 std::start_lifetime_as 的关联

std::start_lifetime_as 主要用于隐式生存期类型的对象。该函数要求模板参数 T 必须是隐式生存期类型，因为只有隐式生存期类型的对象才能在未初始化的存储区域上直接创建，而不需要显式地调用构造函数。通过 std::start_lifetime_as，可以在已有的存储区域上创建隐式生存期类型的对象，从而实现对这些对象的显式生存期管理。

六、P2590R2提案相关信息

提案背景

在C++编程中，对于隐式生存期类型的对象，有时需要在已有的存储区域上创建新的对象，并且保持对象的表示不变。传统的方法可能会比较繁琐或者效率低下，因此需要一种更简洁、高效的方式来实现这一需求。P2590R2提案就是为了解决这个问题而提出的，它引入了 std::start_lifetime_as 函数，用于在未初始化的存储区域上创建隐式生存期类型的对象。

提案目标

P2590R2提案的主要目标是提供一种统一的、高效的方式来管理隐式生存期类型对象的生存期，同时保持对象的表示不变。通过引入 std::start_lifetime_as 函数，开发者可以在不进行复杂的拷贝操作的情况下，直接在已有的存储区域上创建对象，从而提高代码的简洁性和效率。

提案实现

std::start_lifetime_as 函数的实现主要基于以下步骤：

1. 复制存储内容：将存储区域的内容复制到临时位置。
2. 创建对象：使用放置新（placement new）在临时位置创建对象。
3. 复制回原位置：将临时位置的内容复制回原存储区域。
4. 获取指针：使用 std::launder 来获取指向新创建对象的指针。

示例代码（模拟实现）

template<class T>
T* start_lifetime_as(void* p) noexcept
{// Copy the storage to a temporary location, using placement new of an array of byte-like typestd::byte tmp[sizeof(T)];new (tmp) T(*reinterpret_cast<T*>(p));// Copy the storage back to its original locationstd::copy(tmp, tmp + sizeof(T), reinterpret_cast<std::byte*>(p));// then using std::launder to acquire a pointer to the newly-created object// and finally relying on the compiler to optimise away all the copyingreturn std::launder(reinterpret_cast<T*>(p));
}

七、总结

std::start_lifetime_as 是C++23标准库中一个非常有用的工具函数，它为隐式生存期类型的对象提供了一种简洁、高效的显式生存期管理方式。通过在未初始化的存储区域上直接创建对象，避免了复杂的拷贝操作，保持了对象的表示不变，简化了代码逻辑。该函数在内存池管理、类型双关、序列化和反序列化等场景中具有广泛的应用前景。P2590R2提案的引入，使得C++在对象生存期管理方面更加完善，为开发者提供了更多的编程工具和选择。