C++編譯器優化技術：RVO、NRVO和複製省略

現代編譯器缺省會使用RVO（return value optimization，返回值優化）、NRVO（named return value optimization、命名返回值優化）和複製省略（Copy elision）技術，來減小拷貝次數來提高代碼的運行效率

注1：vc六、vs沒有提供編譯選項來關閉該優化，不管是debug仍是release都會進行RVO和複製省略優化

注2：vc六、vs2005如下及vs2005+ Debug上不支持NRVO優化，vs2005+ Release支持NRVO優化

注3：g++支持這三種優化，而且可經過編譯選項：-fno-elide-constructors來關閉優化

 

RVO

#include <stdio.h>
class A
{
public:
    A()
    {
        printf("%p construct\n", this);
    }
    A(const A& cp)
    {
        printf("%p copy construct\n", this);
    }
    ~A() 
    {
        printf("%p destruct\n", this);
    }
};

A GetA()
{
    return A();
}

int main()
{
    {
        A a = GetA();
    }

    return 0;
}

在g++和vc六、vs中，上述代碼僅僅只會調用一次構造函數和析構函數 ，輸出結果以下：

0x7ffe9d1edd0f construct
0x7ffe9d1edd0f destruct

在g++中，加上-fno-elide-constructors選項關閉優化後，輸出結果以下：

0x7ffc46947d4f construct  // 在函數GetA中，調用無參構造函數A()構造出一個臨時變量temp
0x7ffc46947d7f copy construct // 函數GetA return語句處，把臨時變量temp作爲參數傳入並調用拷貝構造函數A(const A& cp)將返回值ret構造出來
0x7ffc46947d4f destruct // 函數GetA執行完return語句後，臨時變量temp生命週期結束，調用其析構函數~A()
0x7ffc46947d7e copy construct // 函數GetA調用結束，返回上層main函數後，把返回值變量ret作爲參數傳入並調用拷貝構造函數A(const A& cp)將變量A a構造出來
0x7ffc46947d7f destruct // A a = GetA()語句結束後，返回值ret生命週期結束，調用其析構函數~A()
0x7ffc46947d7e destruct // A a要離開做用域，生命週期結束，調用其析構函數~A()

注：臨時變量temp、返回值ret均爲匿名變量

下面用c++代碼模擬一下其優化行爲：

#include <new>
A& GetA(void* p)
{
    //因爲p的內存是從外部傳入的，函數返回後仍然有效，所以返回值可爲A&
    //vs中，如下代碼還能夠寫成:
    // A& o = *((A*)p);
    // o.A::A(); 
    // return o;
    return *new (p) A(); // placement new
}

int main()
{
    {
        char buf[sizeof(A)];
        A& a = GetA(buf);
        a.~A();
    }

    return 0;
}

 

NRVO

g++編譯器、vs2005+ Release（開啓/O2及以上優化開關）

修改上述代碼，將GetA的實現修改爲：

A GetA()
{
    A o;
    return o;
}

 

在g++、vs2005+ Release中，上述代碼也僅僅只會調用一次構造函數和析構函數 ，輸出結果以下：

0x7ffe9d1edd0f construct
0x7ffe9d1edd0f destruct

g++加上-fno-elide-constructors選項關閉優化後，和上述結果同樣

0x7ffc46947d4f construct
0x7ffc46947d7f copy construct
0x7ffc46947d4f destruct
0x7ffc46947d7e copy construct
0x7ffc46947d7f destruct
0x7ffc46947d7e destruct

但在vc六、vs2005如下、vs2005+ Debug中，沒有進行NRVO優化，輸出結果爲：

18fec4 construct  // 在函數GetA中，調用無參構造函數A()構造出一個臨時變量o
18ff44 copy construct  // 函數GetA return語句處，把臨時變量o作爲參數傳入並調用拷貝構造函數A(const A& cp)將返回值ret構造出來
18fec4 destruct  // 函數GetA執行完return語句後，臨時變量o生命週期結束，調用其析構函數~A()
18ff44 destruct // A a要離開做用域，生命週期結束，調用其析構函數~A()

下面用c++代碼模擬一下vc六、vs2005如下、vs2005+ Debug上的行爲：

#include <new>
A& GetA(void* p)
{
    A o;
    //因爲p的內存是從外部傳入的，函數返回後仍然有效，所以返回值可爲A&
    //vs中，如下代碼還能夠寫成:
    // A& t = *((A*)p);
    // t.A::A(o); 
    // return t;
    return *new (p) A(o); // placement new
}

int main()
{
    {
        char buf[sizeof(A)];
        A& a = GetA(buf);
        a.~A();
    }

    return 0;
}

注：與g++、vs2005+ Release相比，vc六、vs2005如下、vs2005+ Debug只優化掉了返回值到變量a的拷貝，命名局部變量o沒有被優化掉，因此最後一共有2次構造和析構的調用

 

複製省略

典型狀況是：調用構造函數進行值類型傳參

void Func(A a) 
{
}

int main()
{
    {
        Func(A());
    }

    return 0;
}

在g++和vc六、vs中，上述代碼僅僅只會調用一次構造函數和析構函數 ，輸出結果以下：

0x7ffeb5148d0f construct
0x7ffeb5148d0f destruct

在g++中，加上-fno-elide-constructors選項關閉優化後，輸出結果以下： 

0x7ffc53c141ef construct   // 在main函數中，調用無參構造函數構造實參變量o
0x7ffc53c141ee copy construct // 調用Func函數後，將實參變量o作爲參數傳入並調用拷貝構造函數A(const A& cp)將形參變量a構造出來
0x7ffc53c141ee destruct // 函數Func執行完後，形參變量a生命週期結束，調用其析構函數~A()
0x7ffc53c141ef destruct // 返回main函數後，實參變量o要離開做用域，生命週期結束，調用其析構函數~A()

下面用c++代碼模擬一下其優化行爲：

void Func(const A& a) 
{
}

int main()
{
    {
        Func(A());
    }

    return 0;
}

 

優化失效的狀況

開啓g++優化，獲得如下各類失效狀況的輸出結果：

（1）根據不一樣的條件分支，返回不一樣變量

A GetA(bool bflag)
{
    A a1, a2;
    if (bflag)
        return a1;
    return a2;
}

int main()
{
    A a = GetA(true);

    return 0;
}

0x7ffc3cca324f construct
0x7ffc3cca324e construct
0x7ffc3cca327f copy construct
0x7ffc3cca324e destruct
0x7ffc3cca324f destruct
0x7ffc3cca327f destruct

注1：2次缺省構造函數調用：用於構造a一、a2

注2：1次拷貝構造函數調用：用於拷貝構造返回值

注3：這兒仍然用右值引用優化掉了一次拷貝函數調用：返回值賦值給a

（2）返回參數變量

（3）返回全局變量

（4）返回複合數據類型中的成員變量

（5）返回值賦值給已構造好的變量（此時會調用operator==賦值運算符）

 

參考

Return Value Optimization 

What are copy elision and return value optimization?

Copy elision（wiki）

C++ 命名返回值優化（NRVO）

Named Return Value Optimization in Visual C++ 2005