C++每週貼士 #11: 返回策略

Frodo: There’ll be none left for the return journey. Sam: I don’t think there will be a return journey, Mr. Frodo. – The Lord of the Rings: The Return of the King (novel by J.R.R. Tolkien, screenplay by Fran Walsh, Philippa Boyens, & Peter Jackson) （譯者注：文學水平太窪，起興這段保留原文）

注：這條貼士——雖然仍然有效——但寫它的時候還沒有C++11的移動語義。讀這條貼士時請同時參閱

很多老的C++程式碼庫使用了"害怕複製物件"的正規化。幸運的是，多虧了“返回值優化”(RVO)，我們可以“複製”但不真的複製。

RVO特性存在已久，幾乎所有的C++編譯器都實現了它。考慮如下的C++98程式碼，有一個複製建構函式和一個賦值運算子。這些函式代價都很大，開發者讓它們在每次被呼叫時都列印一條訊息：

class SomeBigObject {
 public:
  SomeBigObject() { ... }
  SomeBigObject(const SomeBigObject& s) {
    printf("死貴的複製…\n", …);
    …
  }
 

  SomeBigObject& operator=(const SomeBigObject& s) {
    printf("死貴的賦值…\n", …);
    …
    return *this;
  }
  ~SomeBigObject() { ... }
  …
};

(注：此處故意避免討論移動操作。參閱TotW #77獲取更多資訊。)

你會被長成下面這樣的工廠方法嚇一跳嗎？

static SomeBigObject SomeBigObjectFactory(...) {
  SomeBigObject local;
  ...
  return local;
 

}

看著挺低效地，是不是？如果我們跑下面這段程式碼會發生什麼？

SomeBigObject obj = SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(...);

簡單的答案：你也許會期望至少有兩個物件被構造：一個是函式返回的物件，另一個是函式呼叫處的（接收函式返回值的，譯者注）物件。兩次都是複製，所以程式列印兩條“死貴”的訊息。實踐的答案：沒有訊息被列印——因為複製建構函式和賦值運算子都沒有被呼叫！

這是怎麼回事？很多C++程式設計師為了寫“高效程式碼”，創造一個物件，然後把物件地址傳給函式，函式用指標或引用來操作原始物件。其實，在下面的情形中，編譯器能把那些“低效的複製”轉譯成如前的“高效程式碼”。

當編譯器在函式呼叫處看到一個變數（來接收函式返回值），在被呼叫的函式裡看到另一個（將要被返回的）變數，那編譯器就意識到它不需要兩個變數。在實現中，編譯器就會把函式呼叫處（函式外，譯者注）的變數的地址傳遞給被呼叫的函式（函式裡，譯者注）。

引用C++98標準原文的說法，“當一個臨時物件被複制建構函式複製時…（編譯器，譯者注）實現被（本標準，譯者注）允許將原始物件和副本物件看做指向同一物件的兩種方式，因此不需要執行復制操作——即使複製建構函式或解構函式有副作用（例如列印訊息，修改全域性計數器等，譯者注）。對於一個返回值為類的函式，如果返回語句中的表示式是區域性物件的名字…（編譯器，譯者注）實現被（本標準，譯者注）允許不必建立臨時物件來儲存函式返回值…”（C++98標準，第12.8節[class.copy]，第15段。C++11標準在第12.8節，第31段有類似的描述，但是更復雜。）

擔心“被允許”不是個很強的承諾？幸運的是，所有現代C++編譯器預設都會執行RVO，即使是在除錯版本，即使是非行內函數。

你怎麼保證編譯器執行RVO？

被呼叫的函式應該定義唯一的返回值變數：

SomeBigObject SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(...) {
  SomeBigObject local;
  …
  return local;
}

函式呼叫處應該將返回值賦值給一個新的變數：

// 不會列印“死貴”操作的訊息：
SomeBigObject obj = SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(...);

就這些！

如果函式呼叫處重用已經存在的變數來儲存返回值，那麼編譯器沒法執行RVO（雖然這種情況下定義了移動操作的型別會執行移動語義）：

// RVO不會發生；列印詳細“死貴的賦值...”：
obj = SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(s2);

如果被呼叫的函式使用多於一個變數作為返回值，那麼編譯器也沒法執行RVO：

// RVO不會執行：
static SomeBigObject NonRvoFactory(...) {
  SomeBigObject object1, object2;
  object1.DoSomethingWith(...);
  object2.DoSomethingWith(...);
  if (flag) {
    return object1;
  } else {
    return object2;
  }
}

但如果被呼叫的函式在多個地方返回同一個變數，編譯器會執行RVO：

// RVO會執行：
SomeBigObject local;
if (...) {
  local.DoSomethingWith(...);
  return local;
} else {
  local.DoSomethingWith(...);
  return local;
}

關於RVO，以上大概就是你需要了解的一切。

還有一件事：臨時變數

除了命名變數，RVO也對臨時變數執行。當被呼叫的函式返回臨時變數時，你仍然可以從RVO中獲益：

// RVO會執行：
SomeBigObject SomeBigObject::ReturnsTempFactory(...) {
  return SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(...);
}

當函式呼叫處（以臨時變數的形式）直接使用返回值時，你仍然可以從RVO中獲益：

// 不會列印“死貴”操作的訊息：
EXPECT_EQ(SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(...).Name(), s);

最後的註解：如果你的程式碼需要執行復制，那就執行復制，不論這些複製會不會被優化掉。不要犧牲正確性來換取效率。