C++中如何返回字符串tuple且避免临时额外拷贝？

假设使用C++20标准，以下代码在Visual Studio 2022调试时，发现string的析构函数被调用两次，且每次都释放堆内存：

#include <iostream>
#include <tuple>
using namespace std;

static tuple<string> get_tuple()
{
    string arg = "This is a long string allocated on the heap";
    return { arg };
}

void main()
{
    auto [x] = get_tuple();
    cout << "x: " << x << endl;
}

但直接返回string时，却能通过移动构造避免额外拷贝：

#include <iostream>
using namespace std;

static string get_tuple()
{
    string arg = "This is a long string allocated on the heap";
    return arg;
}

void main()
{
    auto x = get_tuple();
    cout << "x: " << x << endl;
}

为什么tuple无法做到？是否有办法在返回tuple或类似类型时消除这份额外拷贝？

问题根源 #

问题出在return { arg };这一行：

• 直接返回string时，编译器会触发返回值优化(RVO)；即便RVO不适用，也会自动将return arg转换为移动构造（因为arg是即将销毁的局部变量，属于将亡值）。
• 返回tuple<string>时，{ arg }会先以拷贝构造的方式创建一个string临时对象，再用这个临时对象初始化tuple的成员。这里arg是左值，编译器不会自动将其转为右值，因此产生了一次不必要的拷贝。

解决方法 #

有几种方式可以消除这个额外拷贝：

1. 显式移动构造tuple成员 #

修改返回语句，用std::move将arg转为右值，让tuple的成员通过移动构造初始化：

#include <iostream>
#include <tuple>
#include <utility> // 引入std::move
using namespace std;

static tuple<string> get_tuple()
{
    string arg = "This is a long string allocated on the heap";
    return { move(arg) };
}

void main()
{
    auto [x] = get_tuple();
    cout << "x: " << x << endl;
}

这样arg的堆内存资源会被直接转移到tuple的string成员中，不会发生拷贝。

2. 直接构造tuple，避免临时对象 #

可以用make_tuple配合std::move，或者直接在返回时就地构造tuple：

// 方式一：使用make_tuple
static tuple<string> get_tuple()
{
    string arg = "This is a long string allocated on the heap";
    return make_tuple(move(arg));
}

// 方式二：直接构造，省略局部变量
static tuple<string> get_tuple()
{
    return { "This is a long string allocated on the heap" };
}

第二种方式会直接在tuple的成员位置构造string，连局部变量arg都不需要，彻底避免拷贝和移动操作。

3. 利用返回值优化(RVO)构造tuple #

编译器对tuple的返回同样支持RVO，只要构造过程符合RVO条件——比如直接在返回语句中构造tuple，而非先创建局部tuple再返回：

static tuple<string> get_tuple()
{
    return tuple<string>{ "This is a long string allocated on the heap" };
}

这种写法本质和方式二一致，核心都是让tuple成员直接从纯右值初始化，跳过中间拷贝步骤。

关键说明 #

• 即便类型有移动构造函数，编译器也不会自动将左值转为右值（左值代表对象后续可能被使用，编译器不能随意转移其资源），必须显式调用std::move。
• 返回tuple时，只要确保初始化tuple成员的是右值（将亡值或纯右值），就能触发移动构造或直接初始化，消除额外的内存拷贝。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者mark