C++ 返回值优化 RVO
C++ 返回值优化 RVO
- 引子
- 返回值优化 RVO
- RVO 限制
- 参考
最近在调试代码时，发现拷贝和移动系列构造函数的调用和预期不太一样，经过查阅相关资料，发现是返回值优化（RVO）从中做梗。了解了事实真相后，今天就和大家聊聊这个 RVO。
引子
直接看一个例子：
#include 按照我之前的理解，这里应该发生一次默认构造函数、两次拷贝构造函数和三次析构函数的调用：
- makeA () 中，A() 调用构造函数，产生对象1；
- makeA () 中，return A() 产生一次拷贝，调用拷贝构造函数，产生临时对象2；
- 离开 makeA()，对象1调用析构函数进行释放；
- main () 函数中，A a = makeA() 产生一次拷贝，调用拷贝构造函数，将临时对象2拷贝给对象 a；
- 离开main () 函数，临时对象2和对象a释放，各调用一次析构函数。
但是，编译运行窗口打印如下，只调用了一次默认构造函数和一次析构函数：
A(): addr= 0x7fffdf058eb7
~A(): addr=0x7fffdf058eb7
这是因为编译器默认开启了返回值优化（RVO），可以通过编译选项 -fno-elide-constructors 关闭 RVO（这里使用的编译器是 g++），关闭 RVO 重新编译运行，输出结果符合预期：
A(): addr= 0x7ffc7e2cec07
A(const A&): addr= 0x7ffc7e2cec37
~A(): addr=0x7ffc7e2cec07
A(const A&): addr= 0x7ffc7e2cec36
~A(): addr=0x7ffc7e2cec37
~A(): addr=0x7ffc7e2cec36
可以看到，RVO 减少了两次拷贝和两次析构。同样的，对于移动构造也是一样的，打开 A 中自定义的移动构造函，a = makeA() 这里会调用移动构造函数初始化 a（自定义了拷贝操作会阻止编译器生成移动操作，可以查阅 Understand special member function generation 了解更多。
自定义 move 操作，关闭 RVO：
A(): addr= 0x7ffd575627e7
A(A&&): addr= 0x7ffd57562817
~A(): addr=0x7ffd575627e7
A(A&&): addr= 0x7ffd57562816
~A(): addr=0x7ffd57562817
~A(): addr=0x7ffd57562816
自定义 move 操作，开启 RVO：
A(): addr= 0x7ffc4f79c227
~A(): addr=0x7ffc4f79c227
和拷贝一样，RVO 也同样消除了两次移动构造函数的调用。因此返回值优化包括返回值的拷贝优化和移动优化。
返回值优化 RVO
返回值优化（RVO：Return Value Optimization）是编译器的一种编译优化，通过该优化可以减少函数返回时产生临时对象，从而消除部分拷贝或移动操作，进而提高代码性能。
A makeA () {
return A();
}
int main () {
A a = makeA();
return 0;
}
为了减少不必要的拷贝或者移动，RVO 试图减少临时对象的分配，将最终的对象直接以引用的方式传递到函数中，直接对最终的对象进行构造。RVO 的效果相当于将 func 函数优化如下：
void makeA (A& a) {
a.A::A();
}
调用点直接传入要构造的对象，也就是相当于直接构造出最终的对象，消除了两次拷贝或者移动操作，也就自然消除了两次析构操作。
RVO 有一个变种 NRVO（Named Return Value Optimization），与 RVO 的区别其实就是函数中返回的对象已经具名了，类似这样：
A makeA () {
A a
return a;
}
NRVO 的原来和 RVO 基本一致。
Effective Modern C++ 中将 RVO 优化的条件概括为两点：
- 局部对象的类型和返回类型相同
- 局部对象就是返回值
我们开头的例子就完全满足这两个条件。
RVO 限制
下面看几种 RVO 限制的场景。
返回 std::move(a)。 会使 RVO 失效，会多产生一次拷贝和一次析构。
A makeA () {
A a
return std::move(a);
}
// output
A(): addr= 0x7ffc19323917
A(A&&): addr= 0x7ffc19323947
~A(): addr=0x7ffc19323917
~A(): addr=0x7ffc19323947
调用点不是对象初始化，而是赋值。
// ....
A makeA () {
A a;
return a;
}
int main () {
A a;
a = makeA();
return 0;
}
// output
A(): addr= 0x7ffcfd28bab6
A(): addr= 0x7ffcfd28bab7
operator=(A&&): addr=0x7ffcfd28bab6
~A(): addr=0x7ffcfd28bab7
~A(): addr=0x7ffcfd28bab6
返回的局部对象存在分支判断。
// ...
A makeA (bool flag) {
A a1, a2;
if (flag) {
return a1;
} else {
return a2;
}
}
int main () {
int x;
A a = makeA(x);
return 0;
}
// output
A(): addr= 0x7ffd5be33b56
A(): addr= 0x7ffd5be33b57
A(A&&): addr= 0x7ffd5be33b83
~A(): addr=0x7ffd5be33b57
~A(): addr=0x7ffd5be33b56
~A(): addr=0x7ffd5be33b83
总之， 编译器的返回值优化也是有限制的，有些场景不一定生效。这里 列举了更多 RVO 限制的场景，有兴趣的可以前去查看。
参考
- https://docs.microsoft.com/en-us/previous-versions/ms364057(v=vs.80)?redirectedfrom=MSDN
- https://moodle.ufsc.br/pluginfile.php/2377667/mod_resource/content/0/Effective_Modern_C__.pdf
- https://mp.weixin.qq.com/s/LwnDtK6HNZo_StIxQ5yJhA