C++中的RVO和NRVO优化

本文通过实例深入解析了C++中的RVO(Return Value Optimization)与NRVO(Named Return Value Optimization)两种编译器优化技术。这两种技术旨在减少函数返回类对象时的拷贝构造与析构次数。

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RVO (return value optimization) 和NRVO (named return value optimization) 是C++在处理一个函数返回类对象并将返回值赋给另一个对象时,为了减少拷贝构造次数以及析构次数而采用的一种编译器优化技术。
本篇博客以《深度探索C++对象模型》中例子来总结这两种优化技术。代码片段如下:

class Point3d
{
public:
    int m_x;
    int m_y;
    int m_z;
public:
    Point3d(int x,int y,int z):m_x(x),m_y(y),m_z(z)
    {
        cout << "constructor"<<endl;
    }
    ~Point3d()
    {
        cout << "deconstructor"<<endl;
    }
    Point3d(const Ponint3d &other)
    {
        this.m_x = other.m_x;
        this.m_y = other.m_y;
        this.m_z = other.m_z;
        cout << "copy constructor"<<endl;
    }
    Point3d &operator=(const Point3d &other)
    {
        if(this != &other)
        {
            this.m_x = other.m_x;
            this.m_y = other.m_y;
            this.m_z = other.m_z;
        }
        cout << "operator="<<endl;
        return *this;
    }
}

Point3d factory()
{
    Point3d po(1,2,3)
    return po;
}

int main()
{
    Point3d p = factory();
    return 1;
}

这个例子中的Point3d类中显式定义了构造函数、拷贝构造函数、析构函数以及重载了赋值运算符,并在内部加入了一些打印信息来查看这些函数的调用情况。
1)不做任何返回值优化。在g++中有一个选项-fno-elide-constructors可以去掉任何返回值优化。最终打印情况如下:

constructor      //factory函数中构造po对象
copy constructor //factory函数中用po对象拷贝构造临时对象_temp
deconstructor    //factory函数中返回时,析构掉局部对象po
copy constructor //main函数中用factory函数中拷贝构造的临时对象拷贝构造对象p
deconstructor    //析构临时对象_temp
deconstructor    //main函数结束时,析构对象p

可以看出,不做任何优化的话就是有两次拷贝构造和析构,对照注释很容易理解
2)做RVO优化,VS在debug模式下使用RVO而不用NRVO。对应的输出如下:

constructor      
copy constructor 
deconstructor         
deconstructor       //main函数中p的析构

在《在深度探索C++对象模型》书中,对应的解释为,编译器将factor函数改写为了如下的伪代码形式:

factory(const Point3d &_result)
{
    Point3d po;
    po.Point3d::Point3d(1,2,3);
    _result.Point3d::Point3d(po);   //用po拷贝构造_result;
    po.Point3d::~Point3d();         //po对象析构
    return;
}

而main函数中赋值语句改写为:

Point3d p;
factory(p);

这样将p直接做为参数,在factory()函数中进行构造,就不需要先将po拷贝构造出临时对象_temp,再析构_temp。
3)那能不能直接构造p,而不需要先构造po,再拷贝构造p呢。答案是可以的,需要将factory()函数改写为如下形式:

factor()
{
    return Point3d(1,2,3);
}

这种返回临时对象的写法,如果开启了编译器的RVO优化,factory()函数的大致伪代码实现就会改写为:

factory(const Point3d &_result)
{
    _result.Point3d::Point3d(1,2,3);  //直接将p作为参数构造
    return;
}

相应的打印情况,就为:

constructor    //p的构造
deconstructor  //p的析构

这样将拷贝构造函数和析构函数又减少了一次。
4)有时程序员会不注意将factory()函数改写为(3)中的形式,那能不能不改写也能起到(3)中的优化效果呢,这时NRVO优化就上场了。
如果程序员还是将factory()函数写成:

Point3d factory()
{
    Point3d po(1,2,3)
    return po;
}

有了NRVO优化编译器还是会将其优化成(3)中的形式,对应输出结果当然同样只有一次构造和析构。
我在vs下和gcc下分别在debug模式和release模式下验证发现,gcc在debug和release模式下都支持NRVO优化,在vs的debug模式下只支持RVO优化,release模式下支持NRVO优化。对于其它的编译器,还暂时没做相应的验证。

<think>好,我现在需要回答关于C++中函数返回大对象时,调用者预留空间以及RVONRVO优化的相关问题。首先,我得理解用户的问题。他们想知道当函数返回大对象时,如何通过RVONRVO优化来避免不必要的拷贝,以及这些优化的实现方法。 首先,我应该从RVONRVO的定义开始。RVO是返回值优化,当函数返回一个临时对象的时候,编译器会直接在调用者的栈帧上构造这个对象,避免复制。而NRVO是命名返回值优化,适用于函数内部有命名变量作为返回值的情况,同样避免拷贝。 接下来,我需要解释这些优化是如何工作的。比如,当函数返回一个临时对象时,编译器可以识别这种情况,直接将对象构造到调用者预留的空间中。对于NRVO,即使返回值是一个局部变量,编译器也会优化,避免额外的拷贝操作。然后,我需要给出示例代码,说明在有没有优化的情况下代码的不同表现。还要提到移动语义,这是C++11引入的特性,当RVO/NRVO无法应用时,比如返回的局部变量被转换为右值,这时会调用移动构造函数而不是拷贝构造函数,从而提高效率。然后,我需要讨论如何确保这些优化生效。比如,避免返回多个不同的对象,保持返回路径简单,确保返回值类型支持移动或拷贝构造等。 最后,在相关问题部分,需要提出与RVONRVO相关的问题,比如它们的区别、移动语义的作用、禁用优化的情况、手动确保优化的方法等。确保问题覆盖用户可能想进一步了解的方面。 在检查回答的时候,要确保解释清晰,代码示例正确,并且相关问题具有连贯性扩展性,帮助用户深入理解主题。</think>在C++中,当函数返回大对象时,可以通过返回值优化RVO命名返回值优化NRVO)来避免不必要的拷贝。这些优化允许编译器直接在调用者的内存空间构造对象,而不是在函数内部构造后复制。 以下是具体实现机制示例代码: 1. **RVO(Return Value Optimization)** ```cpp struct BigObject { int data[1000]; BigObject() { std::cout << "Constructed\n"; } BigObject(const BigObject&) { std::cout << "Copied\n"; } }; BigObject createRVO() { return BigObject(); // 直接构造到调用者的内存空间 } int main() { BigObject obj = createRVO(); // 无拷贝构造调用 } ``` 2. **NRVO(Named Return Value Optimization)** ```cpp BigObject createNRVO() { BigObject local_obj; // 命名对象 return local_obj; // 可能直接使用调用者的内存空间 } int main() { BigObject obj = createNRVO(); // 可能无拷贝构造调用 } ``` 3. **移动语义支持** ```cpp BigObject createWithMove() { BigObject local_obj; return std::move(local_obj); // 强制使用移动语义 } ``` **优化原理**: - 编译器会在调用栈上为返回对象预留空间 - 函数内部直接在预留地址构造对象 - 避免调用拷贝构造函数 - 需要满足特定条件(返回局部对象/临时对象) **优化触发条件**: 1. 返回语句直接构造临时对象(RVO) 2. 返回语句使用函数内的局部变量(NRVO) 3. 所有返回路径返回同一个局部对象 4. 对象类型与返回值类型严格匹配 **最佳实践**: 1. 保持简单的返回路径 2. 避免返回全局/静态变量 3. 优先返回局部对象而非参数 4. 为类实现移动语义作为优化失败时的保障
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