C++中临时对象及返回值优化

了解临时对象的来源

什么是临时对象？

        C++真正的临时对象是不可见的匿名对象，不会出现在你的源码中，但是程序在运行时确实生成了这样的对象.

通常出现在以下两种情况：

（1）为了使函数调用成功而进行隐式类型转换的时候。

        传递某对象给一个函数，而其类型与函数的形参类型不同时，如果可以通过隐式转化的话可以使函数调用成功，那么此时会通过构造函数生成一个临时对象，当函数返回时临时对象即自动销毁。如下例：

//计算字符ch在字符串str中出现的次数 
int countChar (const string& str, char ch); 
char buffer[]; 
char c; 
//调用上面的函数
 countChar (buffer, c);

      我们看的第一个参数为char[]，而函数的参数类型为const string&，参数不一致，看看能否进行隐式转化，string类有个构造函数是可以作为隐式转化函数（参见5）的。那么编译器会产生一个 string的临时变量，以buffer为参数进行构造，那么countChar中的str参数会绑定到此临时变量上，直到函数返回时销毁。

      注意这样的转化只会出现在两种情况下：函数参数以传值（by value）的方式传递 或者 对象被传递到一个 reference-to-const 参数上。

传值方式：

int countChar (string str, char ch); 
string buffer;
 char c;
 //参数通过传值方式传递 
countChar (buffer, c);

       这种方法会调用string的拷贝构造函数生成一个临时变量，再将这个临时变量绑定到str上，函数返回时进行销毁。

传常量引用：

       开始的实例即时属于这种情况，但一定强调的是传递的是const型引用，如将开始函数的原型改为

int countChar (string& str, char ch);

       下面调用相同，编译器会报错！为什么C++设计时要求当对象传递给一个reference-to-non-const 参数不会发生隐式类型转化呢？

       下面的实例可能向你说明这样设计的目的：

//声明一个将str中字符全部转化为大写 
void toUpper (string& str); 
char buffer[] = "hazirguo"; 
toUpper(buffer);                 //error!!非const引用传递参数不能完成隐式转化

        如果编译器允许上面的传递完成，那么，会生成一个临时对象，toUpper函数将临时变量的字符转化为大写，返回是销毁对象，但是对buffer内容毫无影响！程序设计的目地是期望对“非临时对象”进行修改，而如果对reference-to-non-cosnt对象进行转化，函数只会对临时变量进行修 改。这就是为什么C++中要禁止non-const-reference参数产生临时变量的原因了。

（2）当函数返回对象的时候。

        当函数返回一个对象时，编译器会生成一个临时对象返回，如声明一个函数用来合并两个字符串：

const string strMerge (const string s1, const string s2);

大多时候是无法避免这样的临时变量产生的，但是现代编译器可以将这样的临时变量进行优化掉，这样的优化策略中，有个所谓的“返回值优化”，下一篇具体讲解。

 总结：

临时对象有构造和析构的成本，影响程序的效率，因此尽可能地消除它们。而更为重要的是很快地发现什么地方会生成临时对象：

• 当我们看到一个reference-to-const参数时，极可能一个临时对象绑定到该参数上；

• 当我们看到函数返回一个对象时，就会产生临时对象。

参考：http://www.cnblogs.com/hazir/archive/2012/04/18/2456144.html 

C++中的返回值优化(return value optimization)

返回值优化（Return Value Optimization，简称RVO），是这么一种优化机制：当函数需要返回一个对象的时候，如果自己创建一个临时对象用户返回，那么这个临时对象会消 耗一个构造函数（Constructor）的调用、一个复制构造函数的调用（Copy Constructor）以及一个析构函数（Destructor）的调用的代价。而如果稍微做一点优化，就可以将成本降低到一个构造函数的代价，下面是 在Visual Studio 2008的Debug模式下做的一个测试：（在GCC下测试的时候可能编译器自己进行了RVO优化，看不到两种代码的区别） 

// C++ Return Value Optimization
// 作者：代码疯子
// 博客：http://www.programlife.net/
#include <iostream>
using namespace std;
class Rational
{
public:
    Rational(int numerator = 0, int denominator = 1) : n(numerator), d(denominator) {
          cout << "Constructor Called..." << endl;
      }
      ~Rational() {
          cout << "Destructor Called..." << endl;
      }
      Rational(const Rational& rhs) {
          this->d = rhs.d;
          this->n = rhs.n;
          cout << "Copy Constructor Called..." << endl;
      }
      int numerator() const { return n; }
      int denominator() const { return d; }
private:
    int n, d;
}; 
const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs) {
    cout << "----------- Enter operator* -----------" << endl;
    Rational tmp(lhs.numerator() * rhs.numerator(),
        lhs.denominator() * rhs.denominator());
    cout << "----------- Leave operator* -----------" << endl;
    return tmp;
}
int main(int argc, char **argv) {
    Rational x(1, 5), y(2, 9);
    Rational z = x * y;
    cout << "calc result: " << z.numerator() 
        << "/" << z.denominator() << endl;
 
    return 0;
}

函数输出截图如下：

可以看到消耗一个构造函数（Constructor）的调用、一个复制构造函数的调用（Copy Constructor）以及一个析构函数（Destructor）的调用的代价。

而如果把operator*换成另一种形式：

const Rational operator*(const Rational& lhs,const Rational& rhs)
{
    return Rational(lhs.numerator() * rhs.numerator(),
                lhs.denominator() * rhs.denominator());
}

就只会消耗一个构造函数的成本了：

参考：http://www.programlife.net/cpp-return-value-optimization.html

返回值优化（RVO）与具命返回值优化（NRVO）

这是一项编译器做的优化，已经是一种很常见的优化手段了，搜一下可以找到很多的资料，在MSDN 里也有相关的说明。

返回值优化，顾名思义，就是与返回值有关的优化，是当函数是按值返回（而不是引用、指针）时，为了避免产生不必要的临时对象以及值拷贝而进行的优化。

先看看下面的代码：

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() 函数返回了一个 MyCla 对象，而且是按值传递的。

在没有任何“优化”之前，这段代码的行为也许是这样的：return MyCla() 这行代码中，构造了一个 MyCla 类的临时的无名对象（姑且叫它t1），接着把 t1 拷贝到另一块临时对象 t2（不在栈上），然后函数保存好 t2 的地址（放在 eax 寄存器中）后返回，TestFun 的栈区间被“撤消”（这时 t1 也就“没有”了，t1 的生存域在 TestFun 中，所以被析构了），在 MyCla a = TestFun(); 这一句中，a 利用 t2 的地址，可以找到 t2 进行，接着进行构造。这样 a 的构造过程就完成了。然后再把 t2 也“干掉”。

可以看到， 在这个过程中，t1 和 t2 这两个临时的对象的存在实在是很浪费的，占用空间不说，关键是他们都只是为a的构造而存在，a构造完了之后生命也就终结了。既然这两个临时的对象对于程序 员来说根本就“看不到、摸不着”（匿名对象），于是编译器干脆在里面做点手脚，不生成它们！怎么做呢？很简单，编译器“偷偷地”在我们写的TestFun 函数中增加一个参数 MyCla&，然后把 a 的地址传进去（注意，这个时候 a 的内存空间已经存在了，但对象还没有被“构造”，也就是构造函数还没有被调用），然后在函数体内部，直接用a来代替原来的“匿名对象”，在函数体内部就完 成a的构造。这样，就省下了两个临时变量的开销。这就是所谓的“返回值优化”！在 VC7 里，按值返回匿名对象时，默认都是这么做。

上 面说的是“返回值优化（RVO）”，还有一种“具名返回值优化（NRVO）”，是对于按值返回“具名对象”（就是有名字的变量！）时的优化手段，其实道理 是一样的，但由于返回的值是具名变量，情况会复杂很多，所以，能执行优化的条件更苛刻，在下面三种情况下（来自 MSDN），NRVO 将一定不起作用：

1. 不同的返回路径上返回不同名的对象（比如if XXX 的时候返回x，else的时候返回y）
2. 引入 EH 状态的多个返回路径（就算所有的路径上返回的都是同一个具名对象）
3. 在内联asm语句中引用了返回的对象名。

不过就算 NRVO 不能进行，在上面的描述中的 t2 这个临时变量也不会产生，对于 VC 的 C++ 编译器来说，只要你写的程序是把对象按值返回的，它会有两种做法，来避免 t2 的产生。拿下面这个程序来说明：

MyCla TestFun2() {
    MyCla x(3);
    return x;
}

一种做法是像 RVO一样，把作为表达式中获取返回值来进行构造的变量 a 当成一个引用参数传入函数中，然后在返回语句之前，用要返回的那个变量来拷贝构造 a，然后再把这个变量析构，函数返回原调用点，a 就构造好了。

还有一种方式， 是在函数返回的时候，不析构x，而直接把x的地址放到 exa 寄存器中，返回调到 TestFun2 的调用点上，这时，a 可以用 exa 中存着的地址来进行构造，a 构造完成之后，再析构原来的变量 x ！是的，注意到其实这时，x 的生存域已经超出了TestFun2，但由于这里x所在TestFun2的栈虽然已经无效，但是并没有谁去擦写这块存，所以x其实还是有效的，当然，一切 都在汇编的层面，对于C++语言层面来讲是透明的。

 参考：http://www.cnblogs.com/liyiwen/archive/2009/12/02/1615711.html