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title: C++编译器优化中的RVO和NRVO toc: true cover: 'https://img.paulzzh.com/touhou/random?11' date: 2022-05-11 09:49:54 categories: C++ tags: [C++, 编译优化]

description: 在前面的文章《深入理解C++中的move和forward》中，我们提到了为了避免对数据进行复制，在C++11中增加了move语义；本文继续这个话题，来聊聊关于编译器优化中的RVO；

在前面的文章《深入理解C++中的move和forward》中，我们提到了为了避免对数据进行复制，在C++11中增加了move语义；

本文继续这个话题，来聊聊关于编译器优化中的RVO；

关于前一篇文章：

• 深入理解C++中的move和forward

源代码：

• https://github.com/JasonkayZK/cpp-learn/tree/rvo

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C++编译器优化中的RVO和NRVO

简述

RVO 即 “Return Value Optimization”，是一种编译器优化技术，通过该技术编译器可以减少函数返回时生成临时值（对象）的个数，从某种程度上可以提高程序的运行效率，对需要分配大量内存的类对象其值复制过程十分友好；

NRVO 全称为 “Named Return Value Optimization”，该优化的大致流程与 RVO 类似；

只是单纯这么说显得比较空洞，下面来看一个具体的例子；

<br/>

一个RVO优化的例子

来看下面这个例子：

rvo.cc

#include <iostream>

class A {
public:
    A() {
        std::cout << "[C] constructor fired." << std::endl;
    }

    A(const A &a) {
        std::cout << "[C] copying constructor fired." << std::endl;
    }

    A(A &&a) noexcept {
        std::cout << "[C] moving copying constructor fired." << std::endl;
    }

    ~A() {
        std::cout << "[C] destructor fired." << std::endl;
    }
};

A getTempA() {
    return A{};
}

int main(int argc, char **argv) {
    auto x = getTempA();

    return 0;
}

我们声明了一个类 A，并重载了它的：

• 构造函数；
• 复制构造函数；
• 移动构造函数；
• 析构函数；

在 main 函数中，我们调用 getTempA()，返回一个类A的对象；

我们首先使用下面的命令编译并执行代码：

# Use RVO
g++ rvo.cc -o rvo --std=c++11 && ./rvo

输出如下所示：

# [C] constructor fired.
# [C] destructor fired.

可以看到：这里一共只执行了一次构造函数和一次析构函数，对于临时对象的拷贝构造过程并没有被进行！

这是因为：在正常情况下，编译器一般会默认启用 RVO 优化；

接下来使用下面命令重新编译并执行上述代码：

# No RVO
g++ rvo.cc -o rvo --std=c++11 -fno-elide-constructors && ./rvo

这里我们关闭了 RVO 优化，对应使用的编译器参数是 “-fno-elide-constructors”：

# No RVO
g++ rvo.cc -o rvo --std=c++11 -fno-elide-constructors && ./rvo

不仅仅是 g++ 编译器，对于其他主流编译器（比如，clang等）都是类似的！

输出如下所示：

[C] constructor fired.
[C] moving copying constructor fired.
[C] destructor fired.
[C] moving copying constructor fired.
[C] destructor fired.
[C] destructor fired.

可以看到，这里一共执行了两次移动构造的过程，分别发生于：

• 函数 “getTempA” 的返回值移动构造给临时值对象；
• 以及，临时值对象移动构造给变量 “x” 这两个时刻；

实际上，RVO 以及 NRVO 两种优化技术又被统称为 “copy_elision（复制消除）” 优化；

C++11 标准中规定，在以下两种场景下要求，<font color="#f00">**编译器省略类对象的复制和移动构造，即使复制/移动构造函数和析构函数拥有可观察副作用！而直接将对象构造到它们本来要复制/移动到的存储中；**</font>

<font color="#f00">**只要语言确保不发生复制/移动操作，复制/移动构造函数就不必存在或可访问！**</font>

这两种场景分别是：

• <font color="#f00">**在 `“return”` 语句中，当操作数为与函数返回类型为同一类类型的纯右值时；**</font>
• <font color="#f00">**在变量的初始化中，当初始化器表达式为与变量类型为同一类类型的纯右值时：**</font>

场景一即为我们之前示例代码中的场景；

下面展示第二种场景；

实际上，我们只需要修改 main 函数中变量 x 的初始化表达式即可：

int main(int argc, char **argv) {
--    auto x = getTempA();
++    auto x = A(A(A(getTempA())));

    return 0;
}

当编译器开启 RVO 优化时，程序同样只调用了一次构造函数和一次析构函数，此时输出为：

[C] constructor fired.
[C] destructor fired.

当关闭了 RVO 优化时的输出则如下所示：

[C] constructor fired.
[C] moving copying constructor fired.
[C] destructor fired.
[C] moving copying constructor fired.
[C] moving copying constructor fired.
[C] moving copying constructor fired.
[C] moving copying constructor fired.
[C] destructor fired.
[C] destructor fired.
[C] destructor fired.
[C] destructor fired.
[C] destructor fired.

可以看到，移动构造和析构函数被疯狂的调用；

这时产生的五次拷贝构造过程分别是：

1. 函数 “getTempA” 返回值拷贝构造给临时值对象；
2. 临时值对象作为引用参数被类 A 的拷贝构造函数调用，生成一个 A 的临时值对象；
3. 临时值对象作为引用参数被类 A 的拷贝构造函数调用，生成一个 A 的临时值对象；
4. 临时值对象作为引用参数被类 A 的拷贝构造函数调用，生成一个 A 的临时值对象；
5. 临时值对象最后拷贝构造给变量 “x”；

<font color="#f00">**需要注意的是：RVO（和下面的NRVO）可能导致优化和非优化程序之间的不同行为！**</font>

<font color="#f00">**毕竟某些代码被优化掉了，因此应当尽量避免在这些被优化的构造函数中增加tricky的逻辑！**</font>

<br/>

再来看看NRVO优化

NRVO 与 RVO 的不同之处在于：函数返回的临时值是否是具名的；

更加官方的定义为：

当操作数是拥有自动存储期的非 volatile 对象的字段，并且非函数形参或 catch 子句形参，且其具有与函数返回类型相同的类型时，此时仍然可以避免对象复制；同时，这种复制消除的变体被称为 NRVO；

同样的，来看下面这个例子：

nrvo.cc

#include <iostream>

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);
}

上面的代码在没有进行 NRVO 的情况下输出为：

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

使用 NRVO 优化后的输出将是：

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

下面来分析 NRVO 到底做了什么；

当我们未开启 NRVO 时，上面 MyMethod 函数会执行类似于下面的代码：

RVO&& MyMethod(int i) {
    RVO rvo = RVO();
    rvo.mem_var = i;
    _rvo = RVO(&rvo);
    return _rvo;
      rvo.~RVO()
}

从上面的代码可以看出，有一些优化的机会；

其基本思想是消除基于栈的临时值并使用隐藏的参数；因此，这将消除基于栈的值的拷贝构造函数和析构函数；

当开启了 NRVO 后，代码如下：

RVO&& MyMethod(int i) {
    RVO rvo = RVO();
    rvo.mem_var = i;
    return rvo;
}

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一个更复杂的例子

下面给出了一个更复杂的例子：

nrvo_2.cc

#include <iostream>

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();
}

无 NRVO 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 copy constructor
A: I am in destructor
A: I am in destructor
A: I am in destructor

当 NRVO 启动时，输出是：

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

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优化限制

根据之前所述，在某些情况下即使我们启用了 NRVO 优化，优化也不会真正启动；

异常示例

在遇到异常时，隐藏的参数必须在它正在替换的临时范围内被破坏；

nrvo_with_exception.cc

#include <cstdio>

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;
    throw "I am throwing an exception!";
    return (rvo);
}

int main() {
    RVO rvo;
    try {
        rvo = MyMethod(5);
    }
    catch (const char *str) {
        printf("I caught the exception\n");
    }

    return 0;
}

如果没有NRVO，输出是：

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

如果“抛出异常代码”被注释掉，输出将是：

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“抛出异常代码”被注释掉，并且开启了NRVO，输出将如下所示：

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

也就是说在没有NRVO的情况下，会表现出相同的行为；

<br/>

不同的命名对象示例

若要使用 NRVO，要求所有退出路径必须返回同一个命名对象！

来看下面的代码：

#include <cstdio>

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);
}

无论是否启用 NRVO 结果都是相同的：

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

这是因为并非所有返回都返回相同的对象；

如果将上面的示例更改为直接返回 rvo 对象，则在返回时，优化将消除复制构造函数：

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

此时输出为：

I am in constructor
I am in constructor

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优化副作用

前面提到，由于我们在编译优化时，会将构造函数直接优化掉，因此：

<font color="#f00">**如果在构造函数中存在一些逻辑，则会直接被优化掉！**</font>

以下面的代码为例：

nrvo_side_effects.cc

#include <cstdio>

int NumConsCalls = 0;
int NumCpyConsCalls = 0;

class RVO {
public:
    RVO() { NumConsCalls++; }

    RVO(const RVO &c_RVO) { NumCpyConsCalls++; }
};

RVO MyMethod() {
    RVO rvo;
    return (rvo);
}

int main() {
    RVO rvo;
    rvo = MyMethod();
    int Division = NumConsCalls / NumCpyConsCalls;
    printf("Constructor calls / Copy constructor calls = %d\n", Division);

    return 0;
}

当编译未启用优化时，代码如我们所期望的，“构造函数”被调用两次，“拷贝构造函数”被调用一次；

因此输出结果为：

Constructor calls / Copy constructor calls = 2

但是，如果上面的代码启用 NRVO，则“拷贝构造函数”调用将被删除；

因此，此时 NumCpyConsCalls 为零，将导致异常：

Constructor calls / Copy constructor calls = 0

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Appendix

关于前一篇文章：

• 深入理解C++中的move和forward

源代码：

• https://github.com/JasonkayZK/cpp-learn/tree/rvo

文章参考：

• https://www.yhspy.com/2019/09/01/C-%E7%BC%96%E8%AF%91%E5%99%A8%E4%BC%98%E5%8C%96%E4%B9%8B-RVO-%E4%B8%8E-NRVO/
• https://docs.microsoft.com/en-us/previous-versions/ms36405

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