大括号之谜：C++的列表初始化语法解析
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摘要：有朋友在使用std::array時發現一個奇怪的問題：當元素類型是復合類型時，編譯通不過。
有朋友在使用std::array時發現一個奇怪的問題：當元素類型是復合類型時，編譯通不過。
struct?S?{int?x;int?y; };int?main() {int?a1[3]{1,?2,?3};??//?簡單類型，原生數組std::array<int,?3>?a2{1,?2,?3};??//?簡單類型，std::arrayS?a3[3]{{1,?2},?{3,?4},?{5,?6}};??//?復合類型，原生數組std::array<S, 3> a4{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};??//?復合類型，std::array，編譯失敗！return?0; }按說std::array和原生數組的行為幾乎是一樣的，可為什么當元素類型不同時，初始化語法還會有差別？更蹊蹺的是，如果多加一層括號，或者去掉內層的括號，都能讓代碼編譯通過：
std::array<S, 3> a1{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};??//?原生數組的初始化寫法，編譯失敗！ std::array<S,?3>?a2{{{1,?2},?{3,?4},?{5,?6}}};??//?外層多一層括號，編譯成功 std::array<S,?3>?a3{1,?2,?3,?4,?5,?6};??//?內層不加括號，編譯成功這篇文章會介紹這個問題的原理，以及正確的解決方式。
聚合初始化
先從std::array的內部實現說起。為了讓std::array表現得像原生數組，C++中的std::array與其他STL容器有很大區別——std::array沒有定義任何構造函數，而且所有內部數據成員都是public的。這使得std::array成為一個聚合（aggregate）。
對聚合的定義，在每個C++版本中有少許的區別，這里簡單總結下C++17中定義：一個class或struct類型，當它滿足以下條件時，稱為一個聚合[1]：
沒有private或protected數據成員；
沒有用戶提供的構造函數（但是顯式使用**=default或=delete**聲明的構造函數除外）；
沒有virtual、private或者protected基類；
沒有虛函數
直觀的看，聚合常常對應著只包含數據的struct類型，即常說的POD類型。另外，原生數組類型也都是聚合。
聚合初始化可以用大括號列表。一般大括號內的元素與聚合的元素一一對應，并且大括號的嵌套也和聚合類型嵌套關系一致。在C語言中，我們常見到這樣的struct初始化語句。
解了上面的原理，就容易理解為什么std::array的初始化在多一層大括號時可以成功了——因為std::array內部的唯一元素是一個原生數組，所以有兩層嵌套關系。下面展示一個自定義的MyArray類型，它的數據結構和std::array幾乎一樣，初始化方法也類似：
struct?S?{int?x;int?y; };template<typename?T,?size_t?N> struct?MyArray?{T?data[N]; };int?main() {MyArray<int,?3>?a1{{1,?2,?3}};??//?兩層大括號MyArray<S,?3>?a2{{{1,?2},?{3,?4},?{5,?6}}};??//?三層大括號return?0; }在上面例子中，初始化列表的最外層大括號對應著MyArray，之后一層的大括號對應著數據成員data，再之后才是data中的元素。大括號的嵌套與類型間的嵌套完全一致。這才是std::array嚴格、完整的初始化大括號寫法。
可是，為什么當std::array元素類型是簡單類型時，省掉一層大括號也沒問題？——這就涉及聚合初始化的另一個特點：大括號省略。
大括號省略（brace elision）
C++允許在聚合的內部成員仍然是聚合時，省掉一層或多層大括號。當有大括號被省略時，編譯器會按照內層聚合所含的元素個數進行依次填充。
下面的代碼雖然不常見，但是是合法的。雖然二維數組初始化只用了一層大括號，但因為大括號省略特性，編譯器會依次用所有元素填充內層數組——上一個填滿后再填下一個。
int?a[3][2]{1,?2,?3,?4,?5,?6};?//?等同于{{1,?2},?{3,?4},?{5,?6}}知道了大括號省略后，就知道std::array初始化只用一層大括號的原理了：由于std::array的內部成員數組是一個聚合，當編譯器看到**{1,2,3}這樣的列表時，會挨個把大括號內的元素填充給內部數組的元素。甚至，假設std::array**內部有兩個數組的話，它還會在填完上一個數組后依次填下一個。
這也解釋了為什么省掉內層大括號，復雜類型也可以編譯成功：
std::array<S,?3>?a3{1,?2,?3,?4,?5,?6};?//?內層不加括號，編譯成功因為S也是個聚合類型，所以這里省略了兩層大括號。編譯期按照下面的順序依次填充元素：數組0號元素的S::x、數組0號元素的S::y、數組1號元素的S::x、數組1號元素的S::y……
雖然大括號可以省略，但是一旦用戶顯式的寫出了大括號，那么必須要和這一層的元素個數嚴格對應。因此下面的寫法會報錯：
std::array<S, 3> a1{{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};?//?編譯失敗！編譯器認為**{1,2}對應std::array的內部數組，然后{3,4}對應std::array的下一個內部成員?？墒?/strong>std::array**只有一個數據成員，于是報錯：too many initializers for 'std::array<S, 3>'
需要注意的是，大括號省略只對聚合類型有效。如果S有個自定義的構造函數，省掉大括號就行不通了：
//?聚合 struct?S1?{S1()?=?default;int?x;int?y; };std::array<S1,?3>?a1{1,?2,?3,?4,?5,?6};??//?OK//?聚合 struct?S2?{S2()?=?delete;int?x;int?y; };std::array<S2,?3>?a2{1,?2,?3,?4,?5,?6};??//?OK//?非聚合，有用戶提供的構造函數 struct?S3?{S3()?{};int?x;int?y; };std::array<S3, 3> a3{1, 2, 3, 4, 5, 6};??//?編譯失敗！這里可以看出**=default**的構造函數與空構造函數的微妙區別。
std::initializer_list的另一個故事
上面講的所有規則，都只對聚合初始化有效。如果我們給MyArray類型加上一個接受std::initializer_list的構造函數，情況又不一樣了：
struct?S?{int?x;int?y; };template<typename?T,?size_t?N> struct?MyArray?{ public:MyArray(std::initializer_list<T>?l){std::copy(l.begin(),?l.end(),?std::begin(data));}T?data[N]; };int?main() {MyArray<S,?3>?a{{{1,?2},?{3,?4},?{5,?6}}};??//?OKMyArray<S,?3>?b{{1,?2},?{3,?4},?{5,?6}};??//?同樣OKreturn?0; }當使用std::initializer_list的構造函數來初始化時，無論初始化列表外層是一層還是兩層大括號，都能初始化成功，而且a和b的內容完全一樣。
這又是為什么？難道std::initializer_list也支持大括號省略？
這里要提一件趣事：**《Effective Modern C++》**這本書在講解對象初始化方法時，舉了這么一個例子[2]：
class?Widget?{ public:Widget();???????????????????????????????????//?default?ctorWidget(std::initializer_list<int>?il);??????//?std::initializer_list?ctor…??????????????????????????????????????????//?no?implicit?conversion?funcs };?Widget?w1;??????????//?calls?default?ctor Widget?w2{};????????//?also?calls?default?ctor Widget?w3();????????//?most?vexing?parse!?declares?a?function!????Widget?w4({});??????//?calls?std::initializer_list?ctor?with?empty?list Widget w5{{}};??????// ditto <-注意！然而，書里這段代碼最后一行w5的注釋卻是個技術錯誤。這個w5的構造函數調用時并非像w4那樣傳入一個空的std::initializer_list，而是傳入包含了一個元素的std::initializer_list。
即使像Scott Meyers這樣的C++大牛，都會在大括號的語義上搞錯，可見C++的相關規則充滿著陷阱！
連《Effective Modern C++》都弄錯了的規則
幸好，《Effective Modern C++》作為一本經典圖書，讀者眾多。很快就有讀者發現了這個錯誤，之后Scott Meyers將這個錯誤的闡述放在了書籍的勘誤表中[3]。
Scott Meyers還邀請讀者們和他一起研究正確的規則到底是什么，最后，他們把結論寫在了一篇文章里[4]。文章通過3種具有不同構造函數的自定義類型，來揭示std::initializer_list匹配時的微妙差異。代碼如下：
#include?<iostream> #include?<initializer_list>class?DefCtor?{int?x; public:DefCtor(){} };class?DeletedDefCtor?{int?x; public:DeletedDefCtor()?=?delete; };class?NoDefCtor?{int?x;???? public:NoDefCtor(int){} };template<typename?T> class?X?{ public:X()?{?std::cout?<<?"Def?Ctorn";?}X(std::initializer_list<T>?il){std::cout?<<?"il.size()?=?"?<<?il.size()?<<?'n';} };int?main() {X<DefCtor>?a0({});???????????//?il.size?=?0X<DefCtor>?b0{{}};???????????//?il.size?=?1X<DeletedDefCtor>?a2({});????//?il.size?=?0//?X<DeletedDefCtor>?b2{{}};????//?error!?attempt?to?use?deleted?constructorX<NoDefCtor>?a1({});?????????//?il.size?=?0X<NoDefCtor>?b1{{}};?????????//?il.size?=?0 }對于構造函數已被刪除的非聚合類型，用**{}初始化會觸發編譯錯誤，因此b2的表現是容易理解的。但是b0和b1的區別就很奇怪了：一模一樣的初始化方法，為什么一個傳入std::initializer_list**的長度為1，另一個長度為0？
構造函數的兩步嘗試
問題的原因在于：當使用大括號初始化來調用構造函數時，編譯器會進行兩次嘗試：
把整個大括號列表連同最外層大括號一起，作為構造函數的std::initializer_list參數，看看能不能匹配成功；
如果第一步失敗了，則將大括號列表的成員作為構造函數的入參，看看能不能匹配成功。
對于b0{{}}這樣的表達式，可以直觀理解第一步嘗試是：b0({{}})，也就是把{{}}整體作為一個參數傳給構造函數。對b0來說，這個匹配是能夠成功的。因為DefCtor可以通過**{}初始化，所以b0的初始化調用了X(std::initializer_list)，并且傳入含有1個成員的std::initializer_list**作為入參。
對于b1{{}}，編譯器同樣會先做第一步嘗試，但是NoDefCtor不允許用**{}初始化，所以第一步嘗試會失敗。接下來編譯器做第二步嘗試，將外層大括號剝掉，調用b1({})，發現可以成功，這時傳入的是空的std::initializer_list**。
再回頭看之前MyArray的例子，現在我們可以分析出兩種初始化分別是在哪一步成功的：
MyArray<S,?3>?a{{{1,?2},?{3,?4},?{5,?6}}};??//?在第二步，剝掉外層大括號后匹配成功 MyArray<S,?3>?b{{1,?2},?{3,?4},?{5,?6}};??//?第一步整個大括號列表匹配成功綜合小測試
到這里，大括號初始化在各種場景下的規則就都解析完了。不知道讀者是否徹底掌握了？
不妨來試一試下面的小測試：這段代碼里有一個僅含一個元素的std::array，其元素類型是std::tuple，tuple只有一個成員，是自定義類型S，S定義有默認構造函數和接受**std::initializer_list**的構造函數。對于這個類型，初始化時允許使用幾層大括號呢？下面的初始化語句有哪些可以成功？分別是為什么？
struct?S?{S()?=?default;S(std::initializer_list<int>)?{} };int?main() {using?MyType?=?std::array<std::tuple<S>,?1>;MyType?a{};?????????????//?1層MyType?b{{}};???????????//?2層MyType?c{{{}}};?????????//?3層MyType?d{{{{}}}};???????//?4層MyType?e{{{{{}}}}};?????//?5層MyType?f{{{{{{}}}}}};???//?6層MyType?g{{{{{{{}}}}}}};?//?7層return?0; }尾注
[1] https://en.cppreference.com/w/cpp/language/aggregate_initialization?
[2] 位于書的 Item 7: Distinguish between () and {} when creating objects. 第55頁?
[3] https://www.aristeia.com/BookErrata/emc++-errata.html
[4] https://scottmeyers.blogspot.com/2016/11/help-me-sort-out-meaning-of-as.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的大括号之谜：C++的列表初始化语法解析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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