C++中能否用临时对象指针初始化多态C数组？

问题 #

在C++中，是否可以使用临时对象的引用/指针来初始化多态C数组（例如类型为ParentClass*的数组，包含Subclass1*、Subclass2*等类型的指针）？由于所有临时对象在编译时都是已知的，我不想使用unique_ptr或任何涉及动态分配的方式（比如用new）。

用例 #

当前版本

现有代码如下：

class Command {
 public:
  virtual void run(const vector<string>& args) = 0;
};

class Generate: public Command {
 public:
  void run(const vector<string>& args) override;
};

class Scan: public Command {
 public:
  void run(const vector<string>& args) override;
};

我希望定义一个包含static Command* commands[]数据成员的App类，示例如下：

// App.hpp
class App {
  static Command* commands[];
};

// App.cpp
Generate generate;
Scan scan;
Command* App::commands[] {&generate, &scan};

编译错误

在尝试寻找可行方案时，遇到以下编译错误：

taking the address of a temporary object of type 'Generate':
  Command* App::commands[] {&Generate()};

non-const lvalue reference to type 'Generate' cannot bind to a temporary of type 'Generate'
  Command* App::commands[] {&static_cast<Generate&>(Generate())};

cannot initialize an array element of type 'Command *' with an rvalue of type 'const Generate *'
  Command* App::commands[] {&static_cast<const Generate&>(Generate())};

编译器版本：g++: Apple clang version 15.0.0 (clang-1500.0.29.1)

期望改动

我希望在App.cpp中移除全局变量generate和scan，改用临时对象，例如：

// App.cpp
Command* App::commands[] {&Generate(), &Scan()};

更理想的是移除App.cpp，直接在App.hpp中定义commands，例如：

// App.hpp
class App {
  static Command* commands[] {&Generate(), &Scan()};
};

// App.cpp 被删除

解决方案 #

直接取临时对象的指针是未定义行为，C++标准明确禁止这种操作——临时对象的生命周期通常只持续到所在完整表达式结束，一旦表达式执行完毕，对象就会被销毁，留下的指针会变成悬空指针，后续访问会导致程序崩溃或不可预测的行为。

不过你可以通过以下几种合法方式实现需求，既避免全局变量，又无需动态分配：

1. 静态局部对象封装
   在数组初始化时调用返回对象引用的函数，函数内部用静态局部对象保证生命周期：

   // App.hpp
   class App {
     static Command& getGenerate() {
       static Generate instance;
       return instance;
     }
     static Command& getScan() {
       static Scan instance;
       return instance;
     }
     static Command* commands[] {&getGenerate(), &getScan()};
   };
   

   静态局部对象的生命周期从第一次调用函数开始，直到程序结束，完全符合需求，且可直接在头文件中定义，无需cpp文件。

2. inline静态成员初始化（C++17及以上）
   利用C++17的inline静态成员特性，直接在类内部初始化包含静态对象地址的数组：

   // App.hpp
   class App {
     inline static Generate generate;
     inline static Scan scan;
     inline static Command* commands[] {&generate, &scan};
   };
   

   这种方式不需要单独的cpp文件，inline关键字确保静态成员在整个程序中只有一个实例，避免多重定义问题。

3. constexpr静态对象（若类构造函数支持）
   如果Generate和Scan的构造函数是constexpr，可以用编译期静态对象初始化数组：

   // App.hpp
   class Command {
    public:
     constexpr Command() = default;
     virtual void run(const vector<string>& args) = 0;
   };
   
   class Generate: public Command {
    public:
     constexpr Generate() = default;
     void run(const vector<string>& args) override;
   };
   
   class Scan: public Command {
    public:
     constexpr Scan() = default;
     void run(const vector<string>& args) override;
   };
   
   class App {
     inline static constexpr Generate generate{};
     inline static constexpr Scan scan{};
     inline static Command* commands[] {&generate, &scan};
   };
   

   该方式无需cpp文件，对象在编译时完成初始化，契合你“编译时已知”的要求。

关键原因 #

数组是静态存储期对象，生命周期贯穿整个程序，但临时对象的生命周期最多到所在表达式结束。两者生命周期不匹配，即使通过强制转换获取临时对象地址，后续访问时对象已销毁，属于未定义行为，因此编译器直接禁止此类操作。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者T. R. Bernstein