C++对象模型之编译器如何处理函数返回一个对象

1、与经验不符的输出

我们知道，当发生以下三种情况之一时，对象对应的类的复制构造函数将会被调用：

1）对一个对象做显示的初始化操作时

2）当对象被当作参数传递给某个函数时

3）当函数返回一个类的对象时

所以，当我们设计一个函数（普通或成员函数）时，经验告诉我们，出于效率的考虑，应该尽可能返回一个对象的指针或引用，而不是直接返回一个对象。因为在直接返回一个对象可能会引起对象的复制构造过程，这意味着会发生一定量的内存复制和对象创建的动作，从而降低了程序的效率。这个设计的想法是正确的，但是实际上，当函数返回一个对象时，上述的复制构造过程一定会发生吗？

例如，对于如下的代码：

class X
{
    public:
        X()
        {
            mData = 100;
            cout << "X::X()" << endl;
        }
        X(const X& rhs)
        {
            mData = rhs.mData;
            cout << "X::X(const X&rhs)" << endl;
        }
        void setData(int n)
        {
            mData = n;
        }
        void print()
        {
            cout << "X::mData == " << mData << endl;
        }
    private:
        int mData;
};

X func()
{
    X xx;
    xx.setData(101);
    return xx;
}

int main()
{
    X xx = func();
    return 0;
}

看了上面的代码片断，你认为这个程序应该输出什么呢？若按照书本上的说法进行分析，在func函数中，定义了类X的一个局部对象xx，所以类X的构造函数会被调用；在func函数返回的返回值是一个对象，那么该函数将返回对象xx的一个副本，所以类X的复制构造函数会被调用；在main函数中，同样定义了类X的一个局部对象xx，而该对象是通过函数func返回的对象作为初值进行构造的，所以类X的复制因构造该副本而被调用。也就是说，根据这个分析，输入结果应该是：

X::X()

X::X(const X&rhs)

原本我也认为输出的应该是上面的三行，但是实际的运行结果如下图所示，它完全出乎我的意料：

从运行结果来看，只输出了一行“X::X()”，也就是说它只构造出了一个类X对象，而且没有发生任何的复制构造过程。我们的分析依据都是正确的，程序代码非常简单，分析的流程也正确，但是程序的行为究竟为什么与我们的分析不符呢？其实一切都是编译器出于优化的考虑，暗中修改了我们程序的代码。下面先介绍编译器处理返回对象的一种方法，再介绍编译器的优化究竟对我们的代码动了什么手脚。

2、编译器处理返回对象的一种方法

当函数调用完毕后，会销毁其局部对象，若函数返回一个局部对象，编译器如何把这个局部对象复制出来呢？方法如下：

1）首先为函数加上一个额外的参数，类型是类对象的引用。这个参数将用来存放被“复制建构”而得的返回值

2）在return指令之前安插一个复制构造调用操作，以便将欲传回的对象的内容当做上述新参数的初值。

该方法的两个操作会重新改写函数，使它不用返回任何值。根据这个方法，func函数的操作可能转换为如下的伪代码：

// C++伪代码，模拟构造函数和复制构造函数的调用
void func(X &__result)
{
    X xx;
    xx.X::X(); // 调用类X的默认构造函数
   
    xx.setData(101);
   
    __result.X::X(xx); // 调用类X的复制构造函数
   
    return;
}

现在编译器必须转换每一个func()调用操作，以符合其新的定义，即

X xx = func();

会被转换成为下列语句：

X xx; // 并不调用类X的构造函数

func(xx);

所以，main函数会被转换成如下伪代码

// C++伪代码，模拟构造函数和复制构造函数的调用 
int main()
{
    X xx; // 并不调用类X的构造函数
    func(xx);
    return 0;
}

根据上述编译器的操作，可以得到如下的输出：

X::X()

X::X(const X&rhs)

第一行为func函数中局部对象xx的构造，第二行为为了达到返回的目的而发生的复制构造操作。这个结果虽然与第1节中的分析有所不同，从编译使用这个方法却能减少一次复制构造函数的调用，提高了效率，毕竟对同一个对象复制两次也没有什么好处。而且编译对这个程序还会做进一步的优化，在第3节会详细讲述。

考虑函数func的另一种使用情况，就是直接使用函数func的返回值，而不将其赋给一个变量。把main函数修改成如下所示：

int main()
{
    func().print();
    return 0;
}

当遇到上述情况时，为使代码正确运行，编译器可能会进行如下转换：

// C++伪代码，模拟编译器的相关处理操作
int main()
{
    {
        X __temp;
        func(__temp);
        __temp.print();
    }
}

在《深度探索C++对象模型》一书中的例子，对于这种情况，转换后的代码没有放在一个花括号内，但是我个人认为这样做更合理。因为根据C++的定义，func函数返回的是一个临时对象，所以当语句

func().print();

运行结束后，该临时变量应该被销毁。把转换后的语句放在一对花括号中，当运行完转换后的语句后，__temp临时变量就会因出了作用域而被销毁。但是编译器是否这样做，我就不知道了。

同理，如果程序中定义了一个函数指针变量，并指向了该函数，则编译器还需要改写该函数指针的定义。

3、NRV优化

在第2节中已经分析了编译器如何处理返回一个对象的函数，但是其结果与我们程序的输出还是不一样，这是因为编译器对程序做了进一步的优化，方法就是以增加的类对象引用的参数（result参数）取代返回值的名字（named return value）。

使用此策略，func函数转换成如下的伪代码：

// C++伪代码，模拟构造函数和复制构造函数的优化
void func(X &__result)
{
    __result.X::X(); // 调用类X的默认构造函数
   
    __result.setData(101);
   
    return;
}

main函数转换后的伪代码不变，如下：

int main()
{
    X xx; // 并不调用类X的构造函数
    func(xx);
    return 0;
}

通过这个优化，可以看在在main函数的调用过程中，只会调用一次构造函数，且不会调用复制构造函数。这样的编译优化操作，被称为Named Return Value（NRV）优化。NRV优化如今被视为标准C++编译器的一个义不容辞的优化操作。所以第1节中产生的出人意料的输出，正是NRV优化的结果。

虽然NRV优化提供了重要的效率改善，但是优化是由编译器默默完成的，而它是否真的被完成，并不十分清楚，而且一旦函数变得比较复杂，优化也难以施行。

C++对象模型之编译器如何处理函数返回一个对象

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