與臨時對象的斗爭（上）
作者：唐風
原載：www.cnblogs.com/liyiwen
C++ 是一門以效率見長的語言（雖然近來越來越多的人“不齒”談及效率，我深以為不然，在某一次的程序編寫中不對效率錙銖必較并不意味意味著我們就不應該追求更多的更好的做法）。總之吧，相比起其它語言，程序員們在使 C++ 的時候會更加有意識地去避免沒有效率的做法。在C++ 的程序中，臨時對象的產生就是損及效率的“惡因”之一，因此也產生出一些意思的技術和優化手段，這篇文章里我總結一下最近在這些方面學習的一些收獲：
返回值優化（RVO）與具命返回值優化（NRVO）
這是一項編譯器做的優化，已經是一種很常見的優化手段了，放狗搜一下可以找到很多的資料，在 MSDN 里也有相關的說明。
返回值優化，顧名思義，就是與返回值有關的優化（廢話……），是當函數是按值返回（而不是引用啊、指針啊）時，為了避免產生不必要的臨時對象以及值拷貝而進行的優化。
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() 函數返回了一個 MyCla 對象，而且是按值傳遞的。
在沒有任何“優化”之前，這段代碼的行為也許是這樣的：return MyCla() 這行代碼中，構造了一個 MyCla 類的臨時的無名對象（姑且叫它t1），接著把 t1 拷貝到另一塊臨時對象 t2（不在棧上），然后函數保存好 t2 的地址（放在 eax 寄存器中）后返回，TestFun 的棧區間被“撤消”（這時 t1 也就“沒有”了，t1 的生存域在 TestFun 中，所以被析構了），在 MyCla a = TestFun(); 這一句中，a 利用 t2 的地址，可以找到 t2 進行，接著進行構造。這樣 a 的構造過程就完成了。然后再把 t2 也“干掉”。
可以看到，在這個過程中，t1 和 t2 這兩個臨時的對象的存在實在是很浪費的，占用空間不說，關鍵是他們都只是為a的構造而存在，a構造完了之后生命也就終結了。既然這兩個臨時的對象對于程序員來說根本就“看不到、摸不著”（匿名對象嘛，你怎么引用？），于是編譯器干脆在里面做點手腳，不生成它們！怎么做呢？很簡單，編譯器“偷偷地”在我們寫的fun函數中增加一個參數 A&，然后把 a 的地址傳進去（注意，這個時候 a 的內存空間已經存在了，但對象還沒有被“構造”，也就是構造函數還沒有被調用），然后在函數體內部，直接用 a 來代替原來的“匿名對象”，在函數體內部就完成 a 的構造。這樣，就省下了兩個臨時變量的開銷。這就是所謂的“返回值優化”~！在 VC7 里，按值返回匿名對象時，默認都是這么做。
上面說的是“返回值優化（RVO）”，還有一種“具名返回值優化（NRVO）”，是對于按值返回“具名對象”（就是有名字的變量！）時的優化手段，其實道理是一樣的，但由于返回的值是具名變量，情況會復雜很多，所以，能執行優化的條件更苛刻，在下面三種情況下（來自MSDN），NRVO 將一定不起作用：
- 不同的返回路徑上返回不同名的對象（比如if XXX 的時候返回x，else的時候返回y）
- 引入 EH 狀態的多個返回路徑（就算所有的路徑上返回的都是同一個具名對象）
- 在內聯asm語句中引用了返回的對象名。
不過就算 NRVO 不能進行，在上面的描述中的 t2 這個臨時變量也不會產生，對于 VC 的 C++ 編譯器來說，只要你寫的程序是把對象按值返回的，它會有兩種做法，來避免 t2 的產生。拿下面這個程序來說明：
MyCla TestFun2() {
MyCla x(3);
return x;
}
一種做法是像 RVO一樣，把作為表達式中獲取返回值來進行構造的變量 a 當成一個引用參數傳入函數中，然后在返回語句之前，用要返回的那個變量來拷貝構造 a，然后再把這個變量析構，函數返回原調用點，a 就構造好了。
還有一種方式，是在函數返回的時候，不析構 x ，而直接把 x 的地址放到 exa 寄存器中，返回調到 TestFun2 的調用點上，這時，a 可以用 exa 中存著的地址來進行構造，a 構造完成之后，再析構原來的變量 x ！是的，注意到其實這時，x 的生存域已經超出了 TestFun2，但由于這里 x 所在 TestFun2 的棧雖然已經無效，但是并沒有誰去擦寫這塊存，所以 x 其實還是有效的，當然，一切都在匯編的層面，對于 C++ 語言層面來講是透明的。
嗯，（具名）返回值引用大約就是這么多，在網上和 MSDN 上還能查到更多的例子和解釋，對于在多線程下 (N)RVO 需要注意什么，嗯，我完全沒有多線程的經驗，不敢亂寫誤人子弟……
右值引用與 move 語意
“C++ 中臨時對象對效率產生的影響一直為人所詬病”（網上流傳的說法），NRVO 等手段也只有在一定程度上彌補這個不足（你知道，在很多情況下無法做優化）。在 C++98 確定后的十多年時間后，“Cpper神圣”們終于給出了另一個對付它的法寶——右值引用。
對于右值引用，目前我所見過的最好的講解是VC開發團隊blog中發布的一篇長文（看這里），在CPP blog上飄飄白云的博主進行了全文翻譯（譯得很棒），建議細讀三遍！理解里面每一個例子~這樣至少你在右值引用的認識上就有了良好的基礎了。（嗯，我只讀了兩遍，下面說的東西有錯誤的話請原諒并指出 :) ）
簡單的說，在C++中的左值，就是能取地址的表達式，比如var、++var之類的，右值就不是能取地址的表達式啦，比如常數 123、x++、x+y等等。
嗯，我們可以看到，右值常常就代表著臨時對象，也就常常意味著“被詬病的浪費……”
比如，z ＝ x + y，這里，翻譯得更“低層”一點，那么這里將是：
temp = x + y
z = temp
這個temp是很尷尬的，不用它將無法實現正確、良好的 operator + 語意，用它就很難避免臨時對象產生的不良開銷。
我們回到上面 RVO 中的程序例子：
MyCla TestFun() {
return MyCla();
}
看，這里返回的 MyCla()，正是一個右值（我們就給它取個名吧，不然不好稱呼它，嗯，還叫 t1 吧）。在函數返回后，這個 t1 就被析構，它做的析構動作就是把原來申請的內存還給系統。想想在這之前，a 在干什么？a 在構造的時候向系統申請了一塊內存！一個申請，一個還回，一來一回多費事啊，如果能直接把 t1 擁有的內存給 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會，我們為 MyCla 實現一個 move 語意的拷貝構造函數（不知道什么是 move 拷貝構造？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;
}
當編譯器探知用于構造 a 的是一個右值時，就調用這個 move 構造函數，然后我們在這個函數里偷梁換柱，把 t1 的資源竊取過來了。這樣，就算不使用 RVO，這個構造的開銷也是非常小的。
那么，對于像：
MyCla TestFun2() {
MyCla x(3);
return x;
}
這樣的情況呢？是的，這里的 x 是一個左值，不會調用 move 構造函數。可是我們知道這個 x 其實馬上也要掛了，它的資源不給白不給啊對不對？所以，我們就想告訴編譯器，您就把它當成個右值吧，怎么告訴它呢？用 std::move 來實現這種 move 語意，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 構造函數啦。
總結一下，作為右值的臨時對象，其實它的存在就是充當一個傳遞的橋梁，一旦表達式過了這個橋，那么這個臨時對象的存在就沒有意義了，也沒有人能再用到它（因為它是個右值，沒有名字，又不能取地址）。既然如此，一個無人問津的就要“死”的變量，把它擁的的資源搶過來也不算過份吧……。在 C++0x 之前，我們想這么做，但是沒有手段，雖然編譯器能分清楚左值右值，但我們無法通過程序告訴編譯器，如果這是左值，請用這個方法，這個是右值，嘿嘿，那用另一個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，這個右值引用可以參與函數的重載，這樣就給了我們機會，針對左右值分別提供不同的操作方法（函數）讓編譯器幫我們選擇一個合適的。
一般來說，可能需要注意右值引用的地方有：
當我們寫的類里擁有動態申請的資源時，那么總是應該提供一個move構造函數，這將會帶給很多好處，可以讓這個類的使用者（一般是我們自己函數，或是SDL等庫）利用它來提升效率。
如果我們寫的函數需要利用傳入的（含有動態申請資源的）對象參數來構造新的變量時，我們可以提供右值引用的重載版本，并在構造新對象時使用std::move來竊取臨時對象的資源。
右值引用在泛型編程中也有極為重要的作用（它能實現完美轉發），但和本文沒多大關系，就不多說了。
總之，右值引用是 C++0x 中非常耀眼的一個新的語言特性，VC2010已經將其列入支持范圍（GCC 本人幾乎沒用過，沒了解，不敢妄言[注{ThanksTo OwnWaterloo}：gcc新版本也支持了。 gcc4.4.0 的stl已經加上對move的支持了]）。
從實踐的角度講，它能夠完美地解決 C++ 中長久以來為人們所詬病的臨時對象的效率問題。從語言本身來講，它健全了 C++ 中引用類型在左值右值方面原先的缺陷，從庫的設計者角度講，它給設計者又帶來了一把利器。而對于廣大的庫使用者而言，不動一兵一卒便能獲得“免費”的效率提升。
牛吧！這個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用化，就將產生大量的使用右值引用特性代碼和相關的idioms，也可能會遇到和這個相關的bug，一句話，趁早學吧，出來混，總是會碰上的……。
（上篇完，下篇將分析 Expression Template 在消除臨時變量中的作用，以及對三種方法進行一個總結）