C++对象模型的那些事儿之五：NRV优化和初始化列表

2024-02-24 15:22:34

前言

在C++对象模型的那些事儿之四：拷贝构造函数中提到如果将一个对象作为函数参数或者返回值的时候，会调用拷贝构造函数，编译器是如何处理这些步骤，又会对其做哪些优化呢？本篇博客就为他家介绍一个编译器的优化操作：NRV，以及关于初始化列表的一些容易踩的“坑”！

NRV

NRV是named Return Value的缩写，翻译过来就是具名返回值优化，这个优化到底在编译层干了些什么事，我们先来看个例子：

class Animal{
public:
    Animal(){
        cout<<"Animal construct!"<<endl;
        age = 0;
    }
    ~Animal(){
        cout<<"Animal destruct！"<<endl;
    }
    Animal(const Animal& _animal){
        cout<<"Copy Construct!"<<endl;
        age = _animal.age;
    }
private:
    int age;
};
Animal get(){
    Animal animal;

    return animal;
}
int main(){
    Animal animal = get();
}

这里先不说运行上述代码会输出什么，读者可以思考思考，亦可带着疑惑继续往下看。

不用NRV优化

在上述例子中，get函数里面定义了一个animal对象，然后将其作为返回值返回。如果按照调用拷贝构造函数的方法，编译器会对代码进行如下扩张行为：

首先加上一个额外参数，类型是类对象的一个引用，这个参数用来放置被“拷贝构建”而得到的返回值
在return命令之前安插一个拷贝构造函数调用操作，以便将欲传回的对象的内容当做上述新增参数的初值。

上述两个步骤的扩张行为听起来还是比较绕口，我们以下面的伪码来替代以下：

Animal get(Animal &_result)//增加一个额外参数作为引用传进函数
{
    Animal animal;

    animal.Animal::Animal();//这里会调用Anmial的空构造函数

    _result.Animal(animal);//调用拷贝构造函数将animal的值赋给返回值
}

按照上述伪码的梳理之后，应该比较理解编译器的那两步扩张行为。看起来就比较麻烦，临时变量animal根本就没有起到什么作用。编译器当然不允许这种浪费资源的对象存在，所以，今天的主角NRV优化要入场了。

NRV优化

观察事物都是从表象入手，然后再去探究底层。我们先来看看最开始的例子的输出结果：

Animal construct!
Animal destruct！

想必大家也看到，输出表明调用get函数后，压根就没有拷贝构造函数什么事，从头到尾都只有构造函数和析构函数在工作。这是为什么？按照拷贝构造函数的理解，这里应该会输出Copy Construct!。很显然，编译器在里面动了手脚。

既然animal完全属于浪费资源，拖慢编译的存在，何不直接以_result替代之？NRV就做了这样的优化，以下时优化的伪码：

Animal get(Animal &_result)//额外参数作为引用参数传进函数
{
    //此处不会生成animal这个临时对象，而是直接对_result进行构造
    _result.Animal::Animal();
    //...将处理animal对象的操作全部移交到_result上

    return;//直接返回，_result里面已存有返回值
}

我们可以看到，这里正好可以跟输出对应，仅在构造_result的时候调用了空构造函数，在函数结束后调用了析构函数。从而避免了临时对象以及拷贝构造函数带来的消耗。

额外的测试

经过上述对NRV的讲解之后，笔者对其非常感兴趣，想看看编译器在哪些地方偷偷的帮我优化了代码，于是写下如下两行：

Animal a = Animal(1024);
Animal b = (Animal)1024;

不做NRV的话，自然是先创建一个临时对象，再将临时对象通过拷贝构造函数赋给指定对象。很显然，编译器不会这么干，输出也验证了这一点：

Animal construct!
Animal construct!
Animal destruct！
Animal destruct！

在《深度探索C++对象模型》一书中提到，如果没有显示定义拷贝构造函数的时候，编译器时不会激活NRV优化的，想来大数据量的测试才能看出NRV优化的效果，这里我就偷个懒，仅仅在此说明一下。

初始化列表

显示定义构造函数的时候，成员变量要么在初始化列表初始化，要么就在函数体内初始化。函数体内初始化就不再次讨论，本小节来讨论初始化列表干了那些事。

一下四种情况，必须在初始化列表中初始化：

当初始化一个引用成员变量时
当初始化一个const成员变量时
当调用一个基类的构造函数，其拥有一组参数时
当调用一个成员遍历的构造函数，其拥有一组参数时

为什么必须呢？就是要让大家养成一个习惯，从而来提高效率，在这四种情况下，如果不在初始化列表中初始化，程序能够正确编译，但效率不高，如下：

class Animal{
public:
    string name;
    int age;
    Animal(){
        name = 0;
        age =0;
    }
};

上述测试代码中，针对string变量name的初始化会先产生一个临时string对象，然后通过拷贝构造函数来初始化name，最后析构掉临时对象。其伪码如下：

Animal::Animal(){
    name.string::string();

    //产生临时对象
    string temp = string(0);

    //调用赋值运算符函数
    name.string::operator=(temp);

    //析构临时对象
    temp.string::~string();
}

可见这样效率真的非常低，如果放在初始化列表中来初始化的话，就如下代码：

Animal::Animal():name(0){
    age = 0;
}

编译器对初始化列表的初始化操作会默认下面的扩张行为：

Animal::Animal(){
    name.string::string(0);//直接调用构造函数来初始化name
    age = 0;
}

小心！陷阱！

初始化列表的陷阱经常作为面试的考题，观察下列代码：

class A{
public:
    int i;
    int j;
    A(int val):j(val),i(j){}
};
int main(){
    A a(1);
    cout<<"a.i="<<a.i<<endl;
    cout<<"a.j="<<a.j<<endl;
}

如果对初始化列表理解不足的话，可以会觉得输出1,1，可是，测试输出如下：

a.i = 32765
a.j = 1

i被初始化为随机值，j被初始化为1，这里就涉及到编译器在安插构造函数的顺序的问题了。

在初始化列表中初始化的变量，都会按照声明顺序，在构造函数内安插其初始化代码。

总结

本篇博客首先讲了NRV优化的概念和实现方式，并对其做了测试，需要注意的是：

编译器只有在显示定义了拷贝构造函数的情况下才会激活NRV优化
一旦函数变得复杂，优化也变得比较难以实施，所以NRV褒贬不一
NRV是针对效率来考虑了，不用NRV并不会引起编译错误，效率大打折扣

另外，对于初始化列表，需要注意：

变量的初始化顺序不是由初始化列表中的顺序决定，而是由变量的定义来决定

本篇博客就讲到这里。

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