C++ | 探究拷贝对象时的一些编译器优化

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前言

在传参和传返回值的过程中，一般编译器会做一些优化，减少对象的拷贝，这个在一些场景下还是非常有用的

1. 经过深度探索类的六大天选之子学习，我们讲到了拷贝构造一些基本概念和调用形式
2. 经过构造函数的初始化列表的学习，我们知道了原来祖师爷在构造函数里还藏着这么个东西
3. 经过explicit关键字的学习，我们清楚了可以手动去禁用构造函数的隐式转换，本文继续细谈
4. 经过类中的static成员的学习，我们认识到类中的这两个双胞胎还真是不可分离

本文，我们将在前面的基础上继续展开学习，去探究一下拷贝构造在拷贝对象时会发生一些编译器优化

• 之前我们在讲explicit关键字的时候，我有提到下面这种写法会引发【隐式类型转换】，而且还画了对应的图示，中间会通过1构造产生一个A类型的临时对象，然后用再去调用拷贝构造完成拷贝。
• 不过这一块编译器做了一个优化，将【构造 + 拷贝构造】直接转换为【构造】的形式，本模块我们就这一块来进行一个拓展延伸，讲一讲编译器在拷贝对象时期的一些优化

A aa1 = 1;

一、传值传参

首先来看到的场景是【传值传参】，对象均是使用上面aa1

//传值传参
void func1(A aa)
{}

💬请你思考一下这种形式编译器还会像上面那样去优化拷贝构造吗

func1(aa1);

• 可以看到，还是发生了拷贝构造，为什么呢？因为对于这种形式编译器不会去随意优化，只有像上面在一个表达式内才会去进行一个优化。【这里的析构是针对函数内部的形参aa，main函数中的aa1也会析构，不做展示】

💬那如果直接传入一个3呢，会做优化吗？

func1(3);

• 可以看到，若是直接传入3的话，就不会去调用拷贝构造了，这个其实和一开始我们讲得那个差不多，把构造 + 拷贝构造优化成了直接构造，【一开始的构造不用理他，为了构造出aa1对象】

💬接下去我传入一个A(3)，会发生什么呢？

func1(A(3));

• 通过观察可以发现，和上面那个是一样的，其实读者去演算一下就可以很清楚，A(3)就是一个很明显的有参构造，实例化出一个对象后那就是拷贝构造，但是这里因为编译器的优化，所以直接变成了一个构造

二、传引用传参

接下去来看到的场景是【传引用传参】，传入的值还是上面的这三种，只是会通过传引用来接收

• 之前的文章里有说过为什么在传参的时候最好使用【传引用传参】，原因就是在于可以减少拷贝，提高程序运行效率

//传引用传参
void func2(const A& aa)		//不加const会造成权限放大
{}

💬那通过引用接收aa1会发生什么呢？

func2(aa1);

• 通过观察可以发现，无论是【构造】还是【拷贝构造】，都不会去调用，这是为什么呢？
• 原因就在于这里使用的是引用接收，那么形参部分的aa就是aa1的别名，无需构造产生一个新的对象，也不用去拷贝产生一个，直接用形参部分这个就可以了，现在知道引用传参的好处了吧👈

💬那直接传3呢？又会发生什么？

func2(3);

• 观察得到，临时对象还是会去进行构造，不过因为引用接收的缘故，我里面的aa就是这个临时对象的别名，所以无需调用拷贝构造，所以也是当回到主函数中才调用析构函数，此时析构的就是这个临时对象
• 这里要顺便提一句的是，因为这个临时对象，临时对象具有常性，所以在拷贝构造的参数中一定要使用const做修饰，否则就会造成权限放大

💬那么A(3)也是和上面同样的道理

func2(A(3));

看完【传值传参】和【传引用传参】，我们来总结一下

• 在为函数传递参数的时候，尽量使用引用传参，可以减少拷贝的工作

三、传值返回

接下去我们来讲讲函数返回时候编译器优化的场景，首先是【传值返回】

//传值返回
A func3()
{A aa;return aa;	
}

💬若是直接去调用上面这个func3()，会发生什么呢？

func3();

• 这个其实和传值传参的第一个是一样的，因为在函数中对象和返回不是处于同一个表达式，所以编译器不会产生优化，调试结果如下

💬此处在函数调用的地方我使用一个对象去做了接收，那在上面【构造 + 拷贝构造】的基础上就会再多出一个【拷贝构造】，即为【构造 + 拷贝构造 + 拷贝构造】

A aa2 = func3();

• 不过通过调试可以看出，只进行了一次拷贝构造，这里其实就存在编译器对于【拷贝构造】的一个优化工作，将两个拷贝构造优化成了一个拷贝构造

这里可能比较抽象，我画个图来解说一下

• 可以看到，因为这是一个传值返回，所以一定会在构造产生临时对象。第一个是因为aa与A不是同一个表示式，所以不会引发编译器的优化；对于第二个来说，因为又拿了一个A的对象作为接收，所以又会产生一个拷贝构造。在这里编译器就要出手了，它会觉得两个拷贝构造过于麻烦，所以会直接优化成一个

拷贝构造和赋值重载的辨析

• 学习过【拷贝构造】和【赋值重载】的同学应该可以知道，它们的形式很像，若是一个对象还没有被实例化出来，使用=便是拷贝构造；若是一个对象已经实例化出来了，使用=便是赋值重载

A aa2;
aa2 = func3();	

• 仔细观察便可以发现，在拷贝构造完成之后又去进行了一次【赋值重载】，那看上面的代码其实就很明显了，那若是一个【拷贝构造】+【赋值重载】的话，编译器其实不会去做一个优化，那这其实相当于干扰了编译器

四、传引用返回【❌】

然后来说说【传引用返回】，不过若是你知道引用返回的一些机制的话，就可以清楚我下面这样其实是错误的，因为aa属于局部变量，出了当前作用域会销毁，所以不可以使用传引用返回，具体以下细述

A& func4()
{A aa;return aa;
}

💬首先来看下直接调用的结果会是怎样的

func4();

• 可以看到因为传引用返回了，所以就减少了中间的一份临时对象的拷贝，也就没有去调用拷贝构造

💬那我若是用一个返回值去接收的话，此时就可以看出引用返回临时对象的问题了

A aa3 = func4();

• 可以看到，最后在拷贝构造结束后，对象aa3内部的_a就是一个随机值

• 若是使用传值返回的话，去观察就可以发现并不是一个随机值

A func4()

五、传匿名对象返回

还记得上面讲到的【匿名对象】吗，也可以使用它返回哦，效率还不低呢！

//匿名对象返回
A func5()
{return A();		//返回一个A的匿名对象
}

💬先调用一下看看会怎么样

func5();

• 可以看到本质还是传值返回，照理来说会构造出一个临时对象然后在拷贝构造，但是却没有调用拷贝构造，原因就是匿名对象起到的作用，对于A()你可以就把它看做是一个表达式，一个【构造】+【拷贝构造】就被优化成了直接构造

💬如果用返回值去接收呢？编译器会优化到何种程度

A aa4 = func5();

• 可以看到，竟然也是只有一个构造。照道理分析来看的话应该是【构造 + 拷贝构造 + 拷贝构造】，不过在匿名对象返回那里已经优化成【直接构造】了，然后再外面的【构造 + 拷贝构造】由引起来编译器的优化，所以最终就只有一个构造了
• 可以看到，最后我还去掉了三次析构函数，第一次就是当然就是aa4，第二次是aa3，第三次便是一开始就有的aa1了，通过这么调试观察，希望你能真正看懂编译器的思维

而且可以观察到匿名对象返回也不会造成随机值现象，因为本质使用的还是【传值返回】，这里不可以使用【传引用返回】，因为匿名对象构建出来的也是一个临时对象，具有常性，会造成权限放大

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六、总计与提炼

看完了上面这一些系列拷贝对象时编译器的优化，我们来做一个总结

对象返回总结

• 接收返回值对象，尽量拷贝构造方式接收，不要赋值接收【会干扰编译器优化】
• 函数中返回对象时，尽量返回匿名对象【可以增加编译器优化】

函数传参总结

• 尽量使用const + &传参，减少拷贝的同时防止权限放大

以上就是本文要介绍的所有内容，感谢您的阅读🌹