與臨時(shí)對(duì)象的斗爭(zhēng)（上）
作者：唐風(fēng)
原載：www.cnblogs.com/liyiwen
C++ 是一門以效率見長(zhǎng)的語(yǔ)言（雖然近來(lái)越來(lái)越多的人“不齒”談及效率，我深以為不然，在某一次的程序編寫中不對(duì)效率錙銖必較并不意味意味著我們就不應(yīng)該追求更多的更好的做法）。總之吧，相比起其它語(yǔ)言，程序員們?cè)谑?C++ 的時(shí)候會(huì)更加有意識(shí)地去避免沒(méi)有效率的做法。在C++ 的程序中，臨時(shí)對(duì)象的產(chǎn)生就是損及效率的“惡因”之一，因此也產(chǎn)生出一些意思的技術(shù)和優(yōu)化手段，這篇文章里我總結(jié)一下最近在這些方面學(xué)習(xí)的一些收獲：
返回值優(yōu)化（RVO）與具命返回值優(yōu)化（NRVO）
這是一項(xiàng)編譯器做的優(yōu)化，已經(jīng)是一種很常見的優(yōu)化手段了，放狗搜一下可以找到很多的資料，在 MSDN 里也有相關(guān)的說(shuō)明。
返回值優(yōu)化，顧名思義，就是與返回值有關(guān)的優(yōu)化（廢話……），是當(dāng)函數(shù)是按值返回（而不是引用啊、指針啊）時(shí)，為了避免產(chǎn)生不必要的臨時(shí)對(duì)象以及值拷貝而進(jìn)行的優(yōu)化。
先看看下面的代碼：
typedef unsigned int UINT32;
class MyCla
{
public:
MyCla(UINT32 a_size = 10):size(a_size) {
p = new UINT32[size];
}
MyCla(MyCla const & a_right):size(a_right.size) {
p = new UINT32[size];
memcpy(p, a_right.p, size*sizeof(UINT32));
}
MyCla const& operator = (MyCla const & a_right) {
size = a_right.size;
p = new UINT32[size];
memcpy(p, a_right.p, size*sizeof(UINT32));
return *this;
}
~MyCla() {
delete [] p;
}
private:
UINT32 *p;
UINT32 size;
};
MyCla TestFun() {
return MyCla();
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
MyCla a = TestFun();
return 0;
}
TestFun() 函數(shù)返回了一個(gè) MyCla 對(duì)象，而且是按值傳遞的。
在沒(méi)有任何“優(yōu)化”之前，這段代碼的行為也許是這樣的：return MyCla() 這行代碼中，構(gòu)造了一個(gè) MyCla 類的臨時(shí)的無(wú)名對(duì)象（姑且叫它t1），接著把 t1 拷貝到另一塊臨時(shí)對(duì)象 t2（不在棧上），然后函數(shù)保存好 t2 的地址（放在 eax 寄存器中）后返回，TestFun 的棧區(qū)間被“撤消”（這時(shí) t1 也就“沒(méi)有”了，t1 的生存域在 TestFun 中，所以被析構(gòu)了），在 MyCla a = TestFun(); 這一句中，a 利用 t2 的地址，可以找到 t2 進(jìn)行，接著進(jìn)行構(gòu)造。這樣 a 的構(gòu)造過(guò)程就完成了。然后再把 t2 也“干掉”。
可以看到，在這個(gè)過(guò)程中，t1 和 t2 這兩個(gè)臨時(shí)的對(duì)象的存在實(shí)在是很浪費(fèi)的，占用空間不說(shuō)，關(guān)鍵是他們都只是為a的構(gòu)造而存在，a構(gòu)造完了之后生命也就終結(jié)了。既然這兩個(gè)臨時(shí)的對(duì)象對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)根本就“看不到、摸不著”（匿名對(duì)象嘛，你怎么引用？），于是編譯器干脆在里面做點(diǎn)手腳，不生成它們！怎么做呢？很簡(jiǎn)單，編譯器“偷偷地”在我們寫的fun函數(shù)中增加一個(gè)參數(shù) A&，然后把 a 的地址傳進(jìn)去（注意，這個(gè)時(shí)候 a 的內(nèi)存空間已經(jīng)存在了，但對(duì)象還沒(méi)有被“構(gòu)造”，也就是構(gòu)造函數(shù)還沒(méi)有被調(diào)用），然后在函數(shù)體內(nèi)部，直接用 a 來(lái)代替原來(lái)的“匿名對(duì)象”，在函數(shù)體內(nèi)部就完成 a 的構(gòu)造。這樣，就省下了兩個(gè)臨時(shí)變量的開銷。這就是所謂的“返回值優(yōu)化”~！在 VC7 里，按值返回匿名對(duì)象時(shí)，默認(rèn)都是這么做。
上面說(shuō)的是“返回值優(yōu)化（RVO）”，還有一種“具名返回值優(yōu)化（NRVO）”，是對(duì)于按值返回“具名對(duì)象”（就是有名字的變量！）時(shí)的優(yōu)化手段，其實(shí)道理是一樣的，但由于返回的值是具名變量，情況會(huì)復(fù)雜很多，所以，能執(zhí)行優(yōu)化的條件更苛刻，在下面三種情況下（來(lái)自MSDN），NRVO 將一定不起作用：
- 不同的返回路徑上返回不同名的對(duì)象（比如if XXX 的時(shí)候返回x，else的時(shí)候返回y）
- 引入 EH 狀態(tài)的多個(gè)返回路徑（就算所有的路徑上返回的都是同一個(gè)具名對(duì)象）
- 在內(nèi)聯(lián)asm語(yǔ)句中引用了返回的對(duì)象名。
不過(guò)就算 NRVO 不能進(jìn)行，在上面的描述中的 t2 這個(gè)臨時(shí)變量也不會(huì)產(chǎn)生，對(duì)于 VC 的 C++ 編譯器來(lái)說(shuō)，只要你寫的程序是把對(duì)象按值返回的，它會(huì)有兩種做法，來(lái)避免 t2 的產(chǎn)生。拿下面這個(gè)程序來(lái)說(shuō)明：
MyCla TestFun2() {
MyCla x(3);
return x;
}
一種做法是像 RVO一樣，把作為表達(dá)式中獲取返回值來(lái)進(jìn)行構(gòu)造的變量 a 當(dāng)成一個(gè)引用參數(shù)傳入函數(shù)中，然后在返回語(yǔ)句之前，用要返回的那個(gè)變量來(lái)拷貝構(gòu)造 a，然后再把這個(gè)變量析構(gòu)，函數(shù)返回原調(diào)用點(diǎn)，a 就構(gòu)造好了。
還有一種方式，是在函數(shù)返回的時(shí)候，不析構(gòu) x ，而直接把 x 的地址放到 exa 寄存器中，返回調(diào)到 TestFun2 的調(diào)用點(diǎn)上，這時(shí)，a 可以用 exa 中存著的地址來(lái)進(jìn)行構(gòu)造，a 構(gòu)造完成之后，再析構(gòu)原來(lái)的變量 x ！是的，注意到其實(shí)這時(shí)，x 的生存域已經(jīng)超出了 TestFun2，但由于這里 x 所在 TestFun2 的棧雖然已經(jīng)無(wú)效，但是并沒(méi)有誰(shuí)去擦寫這塊存，所以 x 其實(shí)還是有效的，當(dāng)然，一切都在匯編的層面，對(duì)于 C++ 語(yǔ)言層面來(lái)講是透明的。
嗯，（具名）返回值引用大約就是這么多，在網(wǎng)上和 MSDN 上還能查到更多的例子和解釋，對(duì)于在多線程下 (N)RVO 需要注意什么，嗯，我完全沒(méi)有多線程的經(jīng)驗(yàn)，不敢亂寫誤人子弟……
右值引用與 move 語(yǔ)意
“C++ 中臨時(shí)對(duì)象對(duì)效率產(chǎn)生的影響一直為人所詬病”（網(wǎng)上流傳的說(shuō)法），NRVO 等手段也只有在一定程度上彌補(bǔ)這個(gè)不足（你知道，在很多情況下無(wú)法做優(yōu)化）。在 C++98 確定后的十多年時(shí)間后，“Cpper神圣”們終于給出了另一個(gè)對(duì)付它的法寶——右值引用。
對(duì)于右值引用，目前我所見過(guò)的最好的講解是VC開發(fā)團(tuán)隊(duì)blog中發(fā)布的一篇長(zhǎng)文（看這里），在CPP blog上飄飄白云的博主進(jìn)行了全文翻譯（譯得很棒），建議細(xì)讀三遍！理解里面每一個(gè)例子~這樣至少你在右值引用的認(rèn)識(shí)上就有了良好的基礎(chǔ)了。（嗯，我只讀了兩遍，下面說(shuō)的東西有錯(cuò)誤的話請(qǐng)?jiān)彶⒅赋?:) ）
簡(jiǎn)單的說(shuō)，在C++中的左值，就是能取地址的表達(dá)式，比如var、++var之類的，右值就不是能取地址的表達(dá)式啦，比如常數(shù) 123、x++、x+y等等。
嗯，我們可以看到，右值常常就代表著臨時(shí)對(duì)象，也就常常意味著“被詬病的浪費(fèi)……”
比如，z ＝ x + y，這里，翻譯得更“低層”一點(diǎn)，那么這里將是：
temp = x + y
z = temp
這個(gè)temp是很尷尬的，不用它將無(wú)法實(shí)現(xiàn)正確、良好的 operator + 語(yǔ)意，用它就很難避免臨時(shí)對(duì)象產(chǎn)生的不良開銷。
我們回到上面 RVO 中的程序例子：
MyCla TestFun() {
return MyCla();
}
看，這里返回的 MyCla()，正是一個(gè)右值（我們就給它取個(gè)名吧，不然不好稱呼它，嗯，還叫 t1 吧）。在函數(shù)返回后，這個(gè) t1 就被析構(gòu)，它做的析構(gòu)動(dòng)作就是把原來(lái)申請(qǐng)的內(nèi)存還給系統(tǒng)。想想在這之前，a 在干什么？a 在構(gòu)造的時(shí)候向系統(tǒng)申請(qǐng)了一塊內(nèi)存！一個(gè)申請(qǐng)，一個(gè)還回，一來(lái)一回多費(fèi)事啊，如果能直接把 t1 擁有的內(nèi)存給 a ，就不省事了嗎？反正 t1 馬上就要掛了。好，右值引用給了我們這種機(jī)會(huì)，我們?yōu)?MyCla 實(shí)現(xiàn)一個(gè) move 語(yǔ)意的拷貝構(gòu)造函數(shù)（不知道什么是 move 拷貝構(gòu)造？回頭看上面鏈接的文章三遍！）：
MyCla(MyCla && a_right):size(a_right.size) {
p = a_right.p;
a_right.p = NULL;
}
當(dāng)編譯器探知用于構(gòu)造 a 的是一個(gè)右值時(shí)，就調(diào)用這個(gè) move 構(gòu)造函數(shù)，然后我們?cè)谶@個(gè)函數(shù)里偷梁換柱，把 t1 的資源竊取過(guò)來(lái)了。這樣，就算不使用 RVO，這個(gè)構(gòu)造的開銷也是非常小的。
那么，對(duì)于像：
MyCla TestFun2() {
MyCla x(3);
return x;
}
這樣的情況呢？是的，這里的 x 是一個(gè)左值，不會(huì)調(diào)用 move 構(gòu)造函數(shù)。可是我們知道這個(gè) x 其實(shí)馬上也要掛了，它的資源不給白不給啊對(duì)不對(duì)？所以，我們就想告訴編譯器，您就把它當(dāng)成個(gè)右值吧，怎么告訴它呢？用 std::move 來(lái)實(shí)現(xiàn)這種 move 語(yǔ)意，像下面這樣：
MyCla TestFun2() {
MyCla x(3);
return std::move(x);
}好啦，這樣又能用上 MyCla 的 move 構(gòu)造函數(shù)啦。
總結(jié)一下，作為右值的臨時(shí)對(duì)象，其實(shí)它的存在就是充當(dāng)一個(gè)傳遞的橋梁，一旦表達(dá)式過(guò)了這個(gè)橋，那么這個(gè)臨時(shí)對(duì)象的存在就沒(méi)有意義了，也沒(méi)有人能再用到它（因?yàn)樗莻€(gè)右值，沒(méi)有名字，又不能取地址）。既然如此，一個(gè)無(wú)人問(wèn)津的就要“死”的變量，把它擁的的資源搶過(guò)來(lái)也不算過(guò)份吧……。在 C++0x 之前，我們想這么做，但是沒(méi)有手段，雖然編譯器能分清楚左值右值，但我們無(wú)法通過(guò)程序告訴編譯器，如果這是左值，請(qǐng)用這個(gè)方法，這個(gè)是右值，嘿嘿，那用另一個(gè)方法幫我搶它的資源吧……，。到了 C++0x ，我們有手段了，那就是右值引用，這個(gè)右值引用可以參與函數(shù)的重載，這樣就給了我們機(jī)會(huì)，針對(duì)左右值分別提供不同的操作方法（函數(shù)）讓編譯器幫我們選擇一個(gè)合適的。
一般來(lái)說(shuō)，可能需要注意右值引用的地方有：
當(dāng)我們寫的類里擁有動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的資源時(shí)，那么總是應(yīng)該提供一個(gè)move構(gòu)造函數(shù)，這將會(huì)帶給很多好處，可以讓這個(gè)類的使用者（一般是我們自己函數(shù)，或是SDL等庫(kù)）利用它來(lái)提升效率。
如果我們寫的函數(shù)需要利用傳入的（含有動(dòng)態(tài)申請(qǐng)資源的）對(duì)象參數(shù)來(lái)構(gòu)造新的變量時(shí)，我們可以提供右值引用的重載版本，并在構(gòu)造新對(duì)象時(shí)使用std::move來(lái)竊取臨時(shí)對(duì)象的資源。
右值引用在泛型編程中也有極為重要的作用（它能實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)），但和本文沒(méi)多大關(guān)系，就不多說(shuō)了。
總之，右值引用是 C++0x 中非常耀眼的一個(gè)新的語(yǔ)言特性，VC2010已經(jīng)將其列入支持范圍（GCC 本人幾乎沒(méi)用過(guò)，沒(méi)了解，不敢妄言[注{ThanksTo OwnWaterloo}：gcc新版本也支持了。 gcc4.4.0 的stl已經(jīng)加上對(duì)move的支持了]）。
從實(shí)踐的角度講，它能夠完美地解決 C++ 中長(zhǎng)久以來(lái)為人們所詬病的臨時(shí)對(duì)象的效率問(wèn)題。從語(yǔ)言本身來(lái)講，它健全了 C++ 中引用類型在左值右值方面原先的缺陷，從庫(kù)的設(shè)計(jì)者角度講，它給設(shè)計(jì)者又帶來(lái)了一把利器。而對(duì)于廣大的庫(kù)使用者而言，不動(dòng)一兵一卒便能獲得“免費(fèi)”的效率提升。
牛吧！這個(gè)特性如此重要如此有用，幾乎可以想見在支持右值的編譯器一旦實(shí)用化，就將產(chǎn)生大量的使用右值引用特性代碼和相關(guān)的idioms，也可能會(huì)遇到和這個(gè)相關(guān)的bug，一句話，趁早學(xué)吧，出來(lái)混，總是會(huì)碰上的……。
（上篇完，下篇將分析 Expression Template 在消除臨時(shí)變量中的作用，以及對(duì)三種方法進(jìn)行一個(gè)總結(jié)）