Visual C++ 2005中的命名返回值优化

　多年来，Microsoft Visual C++编译器一直在努力寻求更新的技术与优化方式，以求最大可能地提高程序的性能。此文描述了Visual C++编译器在不同情况下，是怎样消除多余的复制构造函数和析构函数的。

　　 通常来说，当方法返回对象的一个实例时，会创建一个临时对象，并通过复制构造函数复制到目标对象中。在C++标准中，允许省略复制构造函数（哪怕会导致不同的程序行为），但这有一个副作用，就是编译器可能会把两个对象当成一个。Visual C++ 8.0（Visual C++ 2005）充分利用了C++标准的可伸缩性，加入了一些新的特性——命名返回值优化（NRVO）。NRVO消除了基于堆栈返回值的复制构造函数和析构函数，并去除了对多余复制构造函数和析构函数的调用，从而全面地提高了程序的性能。但要注意到，优化和未优化的代码，可能会有不同的程序行为表现。

　　而在某些情况下，NRVO不会进行优化（参见优化的局限性一节），以下是一些常见的情况：

　　·不同的路径返回不同的命名对象

　　·引入EH状态的多重返回路径（甚至所有的路径中返回相同的命名对象）

　　·由内联汇编语句引用的命名返回对象

　　NRVO优化概述

　　以下是一个简单的示例，演示了优化是怎样被实现的：

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A MyMethod (B &var) { 　A retVal; 　retVal.member = var.value + bar(var); 　return retVal; }

　　使用上述函数的程序可能会有一个像如下所示的构造函数：

valA = MyMethod(valB);

　　由MyMethod返回的值会创建在内存空间中，并通过隐藏的参数指向ValA。以下是函数中带有隐藏参数，并清晰地写明构造和析构函数时样子：

A MyMethod (A &_hiddenArg, B &var) { 　A retVal; 　retVal.A::A(); // retVal的构造函数 　retVal.member = var.value + bar(var); 　_hiddenArg.A::A(retVal); // A的复制构造函数 　return; 　retVal.A::~A(); // retVal的析构函数 }

　　从以上代码中，很明显可看出有一些可以优化的地方。最基本的想法是消除基于堆栈的临时值（retVal），并使用隐藏参数，从而消除那些基于堆栈值的复制构造函数和析构函数。以下是NRVO优化过的代码：

A MyMethod(A &_hiddenArg, B &var) { 　_hiddenArg.A::A(); 　_hiddenArg.member = var.value + bar(var); 　Return }

　　示例代码

　　Sample1.cpp：比较简单的示例代码

#include <stdio.h> class RVO { 　public: 　　RVO(){printf("I am in constructor\n");} 　　RVO (const RVO& c_RVO) {printf ("I am in copy constructor\n");} 　　~RVO(){printf ("I am in destructor\n");} 　int mem_var; }; RVO MyMethod (int i) { 　RVO rvo; 　rvo.mem_var = i; 　return (rvo); } int main() { 　RVO rvo; 　rvo=MyMethod(5); }

　　打开或关闭NRVO编译sample1.cpp，将会产生不同的程序行为。

　　不带NRVO编译（cl /Od sample1.cpp），下面是输出内容：

I am in constructor 　　I am in constructor 　　I am in copy constructor 　　I am in destructor 　　I am in destructor 　　I am in destructor

　　用NRVO选项编译（cl /O2 sample1.cpp），以下是输出内容：

I am in constructor 　　I am in constructor 　　I am in destructor 　　I am in destructor

　　Sample2.cpp：较复杂一点的代码

#include <stdio.h> class A { 　public: 　　A() {printf ("A: I am in constructor\n");i = 1;} 　　~A() { printf ("A: I am in destructor\n"); i = 0;} 　　A(const A& a) {printf ("A: I am in copy constructor\n"); i = a.i;} 　　int i, x, w; }; class B { 　public: 　　A a; 　　B() { printf ("B: I am in constructor\n");} 　　~B() { printf ("B: I am in destructor\n");} 　　B(const B& b) { printf ("B: I am in copy constructor\n");} }; A MyMethod() { 　B* b = new B(); 　A a = b->a; 　delete b; 　return (a); } int main() { 　A a; 　a = MyMethod(); }

　　不带NRVO（cl /Od sample2.cpp）的输出如下：

A: I am in constructor A: I am in constructor B: I am in constructor A: I am in copy constructor B: I am in destructor A: I am in destructor A: I am in copy constructor A: I am in destructor A: I am in destructor A: I am in destructor

　　当打开NRVO优化时，输出如下：

A: I am in constructor A: I am in constructor B: I am in constructor A: I am in copy constructor B: I am in destructor A: I am in destructor A: I am in destructor A: I am in destructor

　　优化的局限性

　　在某些情况下，NRVO优化不会起作用，以下是存在优化局限性的一些示例程序。

　　Sample3.cpp：含有例外的代码

　　在例外（Exception）情况中，隐藏参数必须在它被替换的临时范围内析构。

//RVO类定义在sample1.cpp中 #include <stdio.h> RVO MyMethod (int i) { 　RVO rvo; 　rvo.mem_var = i; 　throw "I am throwing an exception!"; 　return (rvo); } int main() { 　RVO rvo; 　try 　{ 　　rvo=MyMethod(5); 　} 　catch (char* str) 　{ 　　printf ("I caught the exception\n"); 　} }

　　不带NRVO编译（cl /Od /EHsc sample3.cpp），输出如下：

I am in constructor I am in constructor I am in destructor I caught the exception I am in destructor

　　如果注释掉“throw”语句，输出将会如下如示：

I am in constructor I am in constructor I am in copy constructor I am in destructor I am in destructor I am in destructor

　　现在，如果注释掉“throw”语句，并且用NRVO编译，程序输出如下：

I am in constructor I am in constructor I am in destructor I am in destructor

　　这就是说，不管打开或关闭NRVO选项，sample3.cpp的程序行为都一样。

　　Sample4.cpp：不同的命名对象

　　想要充分利用优化，所有的返回路径必须都返回相同的命名对象，请看如下示例代码：

#include <stdio.h> class RVO { 　public: 　　RVO(){printf("I am in constructor\n");} 　　RVO (const RVO& c_RVO) {printf ("I am in copy constructor\n");} 　int mem_var; }; RVO MyMethod (int i) { 　RVO rvo; 　rvo.mem_var = i; 　if (rvo.mem_var == 10) 　　return (RVO()); 　return (rvo); } int main() { 　RVO rvo; 　rvo=MyMethod(5); }

　　优化打开时（cl /O2 sample4.cpp）的输出，与没有进行任何优化时（cl /Od sample.cpp）的输出是一样的。因为不是所有的返回路径都返回同一命名对象，所以NRVO此时不起任何作用。

I am in constructor I am in constructor I am in copy constructor

　　如果把上述代码的所有返回路径都改为返回rvo（如下例Sample4_modified.cpp），此时优化就会消除多余的复制构造函数。

　　经过修改的Sample4_Modified.cpp，以利用NRVO。

#include <stdio.h> class RVO { 　public: 　　RVO(){printf("I am in constructor\n");} 　　RVO (const RVO& c_RVO) {printf ("I am in copy constructor\n");} 　int mem_var; }; RVO MyMethod (int i) { 　RVO rvo; 　if (i==10) 　　return (rvo); 　rvo.mem_var = i; 　return (rvo); } int main() { 　RVO rvo; 　rvo=MyMethod(5); }

　　此时（cl /O2 Sample4_Modified.cpp）的输出：

I am in constructor I am in constructor

　　Sample5.cpp：EH限制

　　以下的Sample5与Sample4基本一致，除了增加了RVO类的析构函数，并具有多重返回路径，且引入的析构函数在函数中创建了一个EH状态。由于编译器跟踪的复杂性，此类对象通常需要被析构，但它阻止了返回值优化，这也是Visual C++ 2005在将来需要改进的地方。

//RVO类定义在sample1.cpp中 #include <stdio.h> RVO MyMethod (int i) { 　RVO rvo; 　if (i==10) 　　return (rvo); 　rvo.mem_var = i; 　return (rvo); } int main() { 　RVO rvo; 　rvo=MyMethod(5); }

　　不论打开或关闭优化，Sample5.cpp都会产生相同的结果。

I am in constructor I am in constructor I am in copy constructor I am in destructor I am in destructor I am in destructor

　　要想打开NRVO优化，必须消除多重返回点，可以像如下所示修改MyMethod：

RVO MyMethod (int i) { 　RVO rvo; 　if (i!=10) 　　rvo.mem_var = i; 　return(rvo); }

　　Sample6.cpp：内联汇编限制

　　当命名返回对象被内联汇编语句所引用时，编译器不会进行NRVO优化，请看下例代码：

#include <stdio.h> // RVO类定义在sample1.cpp中 RVO MyMethod (int i) { 　RVO rvo; 　__asm { 　　mov eax,rvo //可以注释掉此行 　　mov rvo,eax //可以注释掉此行 　} 　return (rvo); } int main() { 　RVO rvo; 　rvo=MyMethod(5); }

　　即使打开优化选项（cl /O2 sample6.cpp）来编译sample6.cpp，NRVO也不会起作用。这是因为内联汇编语句中引用了返回对象，因此，打开或关闭优化选项，输出都会像如下所示：

I am in constructor I am in constructor I am in copy constructor I am in destructor I am in destructor I am in destructor

　　从以上输出，可清楚地看到，复制构造函数和析构函数并没有被消除。但如果注释掉汇编语句，优化将会消除掉这些函数调用。
　优化的副作用

　　程序员必须意识到，如此之类的优化将会影响到程序的流程，以下的示例代码演示了优化所带来的影响。

　　Sample7.cpp
　

#include <stdio.h> int NumConsCalls=0; int NumCpyConsCalls=0; class RVO { public: RVO(){NumConsCalls++;} RVO (const RVO& c_RVO) {NumCpyConsCalls++;} }; RVO MyMethod () { RVO rvo; return (rvo); } void main() { RVO rvo; rvo=MyMethod(); int Division = NumConsCalls / NumCpyConsCalls; printf ("Constructor calls / Copy constructor calls = %d\n",Division); }

　　不带优化选项编译sample7.cpp（cl /Od sample7.cpp），程序的输出是在意料之中的，构造函数被调用了两次，而复制构造函数被调用了一次，因此，输出的结果为2。

Constructor calls / Copy constructor calls = 2

　　另一方面，如果打开优化选项编译上述代码（cl /O2 sample7.cpp），NRVO将会起作用，并消除掉复制构造函数，因此NumCpyConsCalls结果为零，从而引发程序的除零错误。如果像sample7.cpp中那样没有很好地处理这种例外错误，将会导致程序崩溃。

　　从以上可看出，命名返回值优化（NRVO）消除了多余的函数调用，从而在一定程度上提高了程序的速度，需记住的是，优化有时也会有副作用，请谨慎使用。

原文转自：http://www.ltesting.net

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