第6章：运行期语义

从“有一块内存”不等于“有一个对象”开始

runtime semantics 要区分 storage、lifetime 和 expression result。先预测 malloc(sizeof(T)) 返回后 T 的 constructor 是否已经运行：没有。storage 只是可放 bytes 的区域；只有正确 initialization 开始 T lifetime 后，才能按 T object 使用。new expression 恰好把这两步组合成协议。

6.1 Object Construction and Destruction

Global Objects

global object 先经历 zero/constant initialization 能做的部分，再按规则执行 dynamic initialization。相同 translation unit 内有较强的顺序关系，跨 translation units 的动态初始化依赖可能不确定，形成 static initialization order problem。

// config.cpp
Config globalConfig = loadConfig();
 
// registry.cpp
Registry globalRegistry(globalConfig); // 跨 translation unit 依赖需重新设计

把依赖封装为 function-local static、显式 application bootstrap 或纯 constant initialization，可让顺序可见。termination 时只销毁成功构造并注册 teardown 的对象；跨 translation units 的 destruction dependency 同样危险。

Local Static Objects

C++11 起，function-local static initialization 对并发首次进入提供线程安全保证；但 initializer 递归重入同一 declaration 仍是设计风险。它通常在 program termination 销毁，前提是 construction 成功完成。若第一次 construction 抛出，后续进入可再次尝试。

Registry& registry() {
    static Registry instance;
    return instance;
}

这能推迟初始化并把依赖集中到 call site，但不能自动解决 shutdown order：另一个 static destructor 若在 instance 已销毁后调用 registry()，仍会触发 lifetime bug。long-lived process 也可采用显式 owner 管理 teardown。

Arrays of Objects

T array[n] 要为每个 element 执行对应 initialization。没有 element initializer 的 default construction 要求 T 有可访问 default constructor；若第 k 个 element constructor 抛出，前 k 个已构造 elements 逆序销毁，整个 array object 不成立。

fixed array、std::array 与 std::vector 都表达元素集合，但 storage/size/exception protocol 不同。对动态数量优先 container owner，避免手工记住元素数和 matching delete form。

6.2 Operators new and delete

new T(args) 先调用适用 operator new 取得 aligned storage，再在其中构造 T。constructor 抛出时，language 寻找 matching deallocation function 回收 storage。delete pointer 先执行 dynamic object destructor（要求 polymorphic base destructor 正确），再调用适用 operator delete。

Widget* widget = new Widget(config);
delete widget;
 
Widget* many = new Widget[count];
delete[] many;

single 与 array forms 必须匹配。现代代码用 make_unique、container 和 RAII owner 让 failure/early return 自动执行相同 protocol；直接 new 后再做会抛异常的工作，若没立即进入 owner 就可能泄漏。

The Semantics of new Arrays

implementation 可能保存 element count 的 array cookie，以便 delete[] 知道要析构多少个 nontrivial elements，但 cookie shape/位置不是标准 ABI 保证。若第 k 个 construction 失败，已完成 elements 逆序销毁并释放整块 allocation。用 scalar delete 处理 array pointer 是 undefined behavior，不是“少析构几个”的可控错误。

The Semantics of Placement Operator new

alignas(Widget) std::byte storage[sizeof(Widget)];
 
Widget* placed = new (storage) Widget(config);
placed->run();
placed->~Widget();

placement construction 成功后，storage 内才有 Widget lifetime；结束时显式调用 destructor，但不能对 placed 做普通 delete，因为 storage 不是 operator new 返回的。重复利用同一 storage 还要遵守旧 object lifetime 结束、alignment、pointer validity 和 std::launder 等现代规则。library code 可优先 std::construct_at/destroy_at。

6.3 Temporary Objects

temporary 是否存在不能只看源码表面。class conversion、operator overload 和 reference binding 可能要求 materialization；返回 prvalue 在现代规则下可直接构造最终 result；optimizer 还可在 as-if rule 下移除无 observable effect 的对象。

大多数 temporary 在包含它的 full-expression 结束时销毁。绑定到 local const T& 的某些 temporary 可延长到 reference lifetime；但从 function 返回对 temporary 的 reference 不会安全延长，得到 dangling reference。member/reference/new-initializer 等语境还有细则，必须按具体表达式判断。

A Temporary Myth

原书通过 program transformation 说明许多 apparent temporaries 可以由 compiler 合并；现代 copy elision 又强化了 direct construction。但 destructor side effects、reference binding、volatile/observable operations、unknown call boundary 等可能让 lifetime 有真实语义。正确顺序是：先按 language version 建模，再观察 optimized IR/assembly 与 constructor counters。

temporary 成本也不只是一对 constructor/destructor：large buffer allocation、cache traffic、conversion chain 和 lost move/elision 都可能更大。API 设计可用 value return、view/reference、output owner 等不同 contract；选择由 ownership/lifetime correctness 和 profile 共同决定。

第6章验证清单

1. 分开 storage acquisition、object lifetime start、destruction 和 storage release。
2. global/static dependency 同时检查 initialization 与 termination order。
3. array construction 记录已成功 element count，并验证 failure reverse unwind。
4. new-expression 拆成 operator new + constructor；delete 拆成 destructor + operator delete。
5. single/array allocation 与 delete forms 严格匹配，不依赖 array cookie layout。
6. placement construction 验证 size/alignment，显式 destruction，storage owner 单独回收。
7. temporary 先判断 value category/materialization/full-expression，再判断 lifetime extension。
8. 对 copy elision 和 temporary cost 使用当前 standard mode、counters 与 optimized output 验证。

小结

• runtime semantics 把 storage、object lifetime 与 expression evaluation 连接起来
• global objects 有跨 translation unit 的 init/teardown dependency 风险
• local static 推迟到首次使用并有线程安全 guard，但仍需设计 shutdown/reentrancy
• object arrays 正序构造、逆序析构，部分失败只回滚已完成 elements
• new/delete expressions 组合 allocation/lifetime，operator new/delete 本身只管理 raw storage
• new arrays 可能用实现 cookie，scalar/array delete forms 不可混用
• placement new 在外部 storage 开始 lifetime，必须显式 destroy 且不普通 delete
• temporary myth 要靠 materialization、lifetime 与 elision 证据拆解，不能凭源码外观判断成本