标签：c++对象模型 返回对象 编译器处理方法 nrv优化
1、与经验不符的输出
我们知道，当发生以下三种情况之一时，对象对应的类的复制构造函数将会被调用：
1）对一个对象做显示的初始化操作时
2）当对象被当作参数传递给某个函数时
3）当函数返回一个类的对象时
所以，当我们设计一个函数（普通或成员函数）时，经验告诉我们，出于效率的考虑，应该尽可能返回一个对象的指针或引用，而不是直接返回一个对象。因为在直接返回一个对象可能会引起对象的复制构造过程，这意味着会发生一定量的内存复制和对象创建的动作，从而降低了程序的效率。这个设计的想法是正确的，但是实际上，当函数返回一个对象时，上述的复制构造过程一定会发生吗？
例如，对于如下的代码：
class X
{
public:
X()
{
mData = 100;
cout << "X::X()" << endl;
}
X(const X& rhs)
{
mData = rhs.mData;
cout << "X::X(const X&rhs)" << endl;
}
void setData(int n)
{
mData = n;
}
void print()
{
cout << "X::mData == " << mData << endl;
}
private:
int mData;
};
X func()
{
X xx;
xx.setData(101);
return xx;
}
int main()
{
X xx = func();
return 0;
}
看了上面的代码片断，你认为这个程序应该输出什么呢？若按照书本上的说法进行分析，在func函数中，定义了类X的一个局部对象xx，所以类X的构造函数会被调用；在func函数返回的返回值是一个对象，那么该函数将返回对象xx的一个副本，所以类X的复制构造函数会被调用；在main函数中，同样定义了类X的一个局部对象xx，而该对象是通过函数func返回的对象作为初值进行构造的，所以类X的复制因构造该副本而被调用。也就是说，根据这个分析，输入结果应该是：
X::X()
X::X(const X&rhs)
X::X(const X&rhs)
原本我也认为输出的应该是上面的三行，但是实际的运行结果如下图所示，它完全出乎我的意料：
从运行结果来看，只输出了一行“X::X()”，也就是说它只构造出了一个类X对象，而且没有发生任何的复制构造过程。我们的分析依据都是正确的，程序代码非常简单，分析的流程也正确，但是程序的行为究竟为什么与我们的分析不符呢？其实一切都是编译器出于优化的考虑，暗中修改了我们程序的代码。下面先介绍编译器处理返回对象的一种方法，再介绍编译器的优化究竟对我们的代码动了什么手脚。
2、编译器处理返回对象的一种方法
当函数调用完毕后，会销毁其局部对象，若函数返回一个局部对象，编译器如何把这个局部对象复制出来呢？方法如下：
1）首先为函数加上一个额外的参数，类型是类对象的引用。这个参数将用来存放被“复制建构”而得的返回值
2）在return指令之前安插一个复制构造调用操作，以便将欲传回的对象的内容当做上述新参数的初值。
该方法的两个操作会重新改写函数，使它不用返回任何值。根据这个方法，func函数的操作可能转换为如下的伪代码：
// C++伪代码，模拟构造函数和复制构造函数的调用
void func(X &__result)
{
X xx;
xx.X::X(); // 调用类X的默认构造函数
xx.setData(101);
__result.X::X(xx); // 调用类X的复制构造函数
return;
}
现在编译器必须转换每一个func()调用操作，以符合其新的定义，即
X xx = func();
会被转换成为下列语句：
X xx; // 并不调用类X的构造函数
func(xx);
所以，main函数会被转换成如下伪代码
// C++伪代码，模拟构造函数和复制构造函数的调用
int main()
{
X xx; // 并不调用类X的构造函数
func(xx);
return 0;
}
根据上述编译器的操作，可以得到如下的输出：
X::X()
X::X(const X&rhs)
第一行为func函数中局部对象xx的构造，第二行为为了达到返回的目的而发生的复制构造操作。这个结果虽然与第1节中的分析有所不同，从编译使用这个方法却能减少一次复制构造函数的调用，提高了效率，毕竟对同一个对象复制两次也没有什么好处。而且编译对这个程序还会做进一步的优化，在第3节会详细讲述。
考虑函数func的另一种使用情况，就是直接使用函数func的返回值，而不将其赋给一个变量。把main函数修改成如下所示：
int main()
{
func().print();
return 0;
}
当遇到上述情况时，为使代码正确运行，编译器可能会进行如下转换：
// C++伪代码，模拟编译器的相关处理操作
int main()
{
{
X __temp;
func(__temp);
__temp.print();
}
}
在《深度探索C++对象模型》一书中的例子，对于这种情况，转换后的代码没有放在一个花括号内，但是我个人认为这样做更合理。因为根据C++的定义，func函数返回的是一个临时对象，所以当语句
func().print();
运行结束后，该临时变量应该被销毁。把转换后的语句放在一对花括号中，当运行完转换后的语句后，__temp临时变量就会因出了作用域而被销毁。但是编译器是否这样做，我就不知道了。
同理，如果程序中定义了一个函数指针变量，并指向了该函数，则编译器还需要改写该函数指针的定义。
3、NRV优化
在第2节中已经分析了编译器如何处理返回一个对象的函数，但是其结果与我们程序的输出还是不一样，这是因为编译器对程序做了进一步的优化，方法就是以增加的类对象引用的参数（result参数）取代返回值的名字（named return value）。
使用此策略，func函数转换成如下的伪代码：
// C++伪代码，模拟构造函数和复制构造函数的优化
void func(X &__result)
{
__result.X::X(); // 调用类X的默认构造函数
__result.setData(101);
return;
}
main函数转换后的伪代码不变，如下：
int main()
{
X xx; // 并不调用类X的构造函数
func(xx);
return 0;
}
通过这个优化，可以看在在main函数的调用过程中，只会调用一次构造函数，且不会调用复制构造函数。这样的编译优化操作，被称为Named Return Value（NRV）优化。NRV优化如今被视为标准C++编译器的一个义不容辞的优化操作。所以第1节中产生的出人意料的输出，正是NRV优化的结果。
虽然NRV优化提供了重要的效率改善，但是优化是由编译器默默完成的，而它是否真的被完成，并不十分清楚，而且一旦函数变得比较复杂，优化也难以施行。
C++对象模型之编译器如何处理函数返回一个对象
标签：c++对象模型 返回对象 编译器处理方法 nrv优化
原文地址：http://blog.csdn.net/ljianhui/article/details/46318801
