解释：《深度探索C++对象模型》对NRV优化的讨论

原文地址：http://blog.csdn.net/zha_1525515/article/details/7170059

感谢作者！

大纲：

1.  函数返回局部对象的拷贝的一般实现方式。
2.  NRV（Named Return Value）优化。
3.  NRV优化触发的疑问。

一、函数返回局部对象的拷贝的一般实现方式

比如有这么一段函数定义：

 class X;
 X bar()
 {
     X x1;
     // 处理 x1..
     return x1;
 }

在学习C++语法时，我们知道了。针对”Xbar()”这样的函数，是返回class X的一个对象的拷贝。其返回值是一个对象，比如叫做x2。在执行return时，x2通过调用拷贝构造函数，拷贝对象x1来实现其初始化。也就是说，这里会存在两个对象x1、x2。那么这种返回对象的拷贝，是怎么实现的呢？一般来说，C++编译器会将上段代码中bar的实现转换成如下的代码。

 // 函数实现
 void bar(X& __result)   // 加上一个额外参数
 {
     // 预留x1的内存空间
     X x1;

     // 编译器产生的默认构造函数的调用，
     x1.X::X();

     // 处理 x1..

     // 编译器产生的拷贝操作
     __result.X::X(x1);

     return;
 }

 // 函数调用
 X x2;                   // 这里只是预留内存，并未调用初始化函数
 bar(x2);

通过上述代码，我们可见编译器对于返回对象拷贝的处理方式。

1、函数添加一个额外参数，为返回对象的引用；

2、函数调用前，先申请欲返回对象x2的内存空间；

3、将对象x2的引用传入函数中，并在函数返回前，调用x2的拷贝构造函数。

通过上述实现方式

 X x2 = bar();

被转换成了

 X x2;
 bar(x2);

二、NRV（Named Return Value）优化

上面的实现中，存在着x1、x2两个对象，而x1的生命周期转瞬即逝。而且对于bar()的调用者来说，根本就没有x1这个对象，调用者想要的只有x2。这样的实现能不能够将其优化变得更快呢。编译器有一种优化方式，直接将x2替代x1。编译器转换后的伪代码如下。

 void bar(X& __result)
 {
     // 调用__result的默认构造函数
     __result.X::X();

     // 处理__result
     return;
 }

从代码看出，这里只有一个对象，也就是传入的x2。NRV优化后的实现，比原来的实现省去了如下操作：

1)  在堆栈中预留x1的内存；

2)  调用X的默认构造函数，构造x1

3)  调用X的拷贝构造函数，构造x2

4)  调用x1的析构函数

5)  堆栈中回收x1的内存

但是多了一个操作，就是调用X的默认构造函数，构造x2。 对于函数的调用者（只关心x2不关心x1）来说，只有一个区别，就是x2的构造方式由调用拷贝构造函数，转变成了调用默认构造函数。

三、NRV优化触发的疑问

上面的内容在《深度探索C++对象模型》中都有详细的讲解。此外书中还提到了程序员必须给class X定义拷贝构造函数才能触发NRV优化，不然还是按照最初的较慢的方式执行。可是为什么一定要定义拷贝构造函数才能触发NRV优化呢。在网上找了半天一直没有确定的答案。于是我做了如下实验。有如下代码：

 class CTest
 {
 public:
     CTest()
     {
         cout << "CTest()" << this << endl;
     }
     CTest(const CTest& rcTest)
     {
         cout << "CTest(CTest)" << this << endl;
     }
     ~CTest()
     {
         cout << "~CTest()" << this << endl;
     }
 private:
     int a;
 };

 CTest foo()
 {
     CTest oTestInFoo;
     return oTestInFoo;
 }

 int main()
 {
     CTest oTest = foo();
     return 0;
 }

在不同的编译环境的执行结果分别为：

VS2005(Debug)

VS2005(Release)

g++(-c -o)

也就是说，在vs2005的release环境和g++中，都触发了编译器的NRV优化。

然后，再将代码中的class CTest的拷贝构造函数去掉，执行结果依次为：

VS2005(Debug)

VS2005(Release)

g++(-c -o)

我们去掉class CTest的拷贝构造函数后，按照《深度探索》中所说，class CTest的拷贝动作只需要bitwise copy就可以实现。所以编译器也不会给其合成一个implicit的拷贝构造函数。也就是说，这个时候class CTest是没有拷贝构造的。但执行结果和去掉拷贝构造前一样，vs2005译编的release程序和g++中，均使用了NRV优化。

最后将CTest的代码改为

 class CSub
 {
 public:
     CSub(){}
     CSub(const CSub& rcSub)
     {
         cout << "CSub(CSub)" << endl;
     }

 };

 class CTest
 {
 public:
     CTest()
     {
         cout << "CTest()" << this << endl;
     }
     ~CTest()
     {
         cout << "~CTest()" << this << endl;
     }
 private:
     int a;
     CSub oSub;
 };

这个时候的执行结果为：

VS2005(Debug)

VS2005(Release)

g++(-c -o)

此时因为class CTest中有oSub，且oSub需要调用其拷贝构造函数才能完成拷贝，所以编译器会给其添加一个implicit的拷贝构造函数。而就算这样，执行结果依然和前面的一样。

实验结果显示，不管是类有explicit的构造、implicit的拷贝构造还是没有拷贝构造，在vs2005的Release和g++下都会触发NRV优化，在vs2005(Debug)下都没有NRV优化。所以可以得出结论，在这两个编译器中，NRV优化和拷贝构造函数是否定义没关系。

那么为什么《深度探索》的作者会说有关系呢。网上找到了一种说法，我觉得比较有道理（传送门）。截取其中的话就是“早期的 cfront需要一个开关来决定是否应该对代码实行NRV优化，这就是是否有客户（程序员）显式提供的拷贝构造函数：如 果客户没有显示提供拷贝构造函数，那么cfront认为客户对默认的逐位拷贝语义很满意，由于逐位拷贝本身就是很高效的，没必要再对其实施NRV优化；但 如果客户显式提供了拷贝构造函数，这说明客户由于某些原因(例如需要深拷贝等)摆脱了高效的逐位拷贝语义，其拷贝动作开销将增大，所以将应对其实施NRV 优化，其结果就是去掉并不必要的拷贝函数调用。”

我认为，因为作者在书中一直都是以cfront来举例说明的，所以其才会有NRV开关的说法。

其实不管cfront如何，现在已经确定的是vs2005(Release)和g++都会执行NRV优化。而NRV优化会导致原本预想中的调用拷贝构造函数变成调用别的构造函数（视函数中的对象调用的构造函数而定）。这一点一定要注意，因为一旦这个时候，拷贝构造函数和别的构造函数提供的功能不同（其实一直都不应该这样），会导致debug和release出现执行结果不同的情况。