性能大杀器：c++中的copy elision

我们简单的介绍了下移动语义，今天聊聊编译器的一个常见优化拷贝消除(copy elision)。

move和copy elision是一种常见的编译器优化技术，旨在避免不必要的临时对象的复制和拷贝，对于那种占用资源比较多的对象来说，这种优化无疑会很大程度上提升性能。

且看一个例子，如下：

#include <iostream>

struct Obj {
    

    Obj() {
       std::cout << "Default ctor" << std::endl;
    }

    Obj(const Obj& r) {
        std::cout << "Copy ctor" << std::endl;
    }
   
    int x_ = 0;
};

Obj CreateObj1() {
    return Obj();
}

Obj CreateObj2() {
    Obj temp;
    temp.x_ = 42;
    return temp;
}

int main() {
    Obj o1(CreateObj1());
    Obj o2(CreateObj2());
   
    return 0;
}

编译并运行上述代码，输出：

Default ctor
Default ctor

PS:本文中所使用的编译器及版本为gcc 11.4.0，如果未做显式说明，在编译过程中都加上-std=c++11选项。

好了，仍然是上面的代码，如果编译选项变成-std=c++11 -fno-elide-constructors，输出试试，看看会是什么结果~~

emm，在本地尝试编译并运行了下：

Default ctor
Copy ctor
Copy ctor
Default ctor
Copy ctor
Copy ctor

与最开始的输出相比，多了很多，现在我们着手分析下原因，以Obj o1(CreateObj1());为例：

•调用CreateObj1()函数，创建一个临时对象并返回，此时会输出Default ctor•将上述的需要返回的临时对象以拷贝方式赋值给函数返回值，此时会输出Copy ctor•函数返回值作为obj1的拷贝对象，此时会输出Copy ctor

接着分析下Obj o2(CreateObj2());:

•CreateObj2()创建一个临时变量temp，此时会输出Default ctor•修改临时变量temp的成员变量x_的值为2•temp以拷贝方式赋值给函数返回值，此时会输出Copy ctor•函数返回值作为obj2的拷贝对象，此时会输出Copy ctor

对前面的输出做个简单总结，如下：

Default ctor // 在CreateObj1中以Obj()方式创建临时变量T1
Copy ctor    // T1以复制拷贝的方式赋值给CreateObj1()函数返回值,此处假设为T2
Copy ctor    // 通过调用拷贝构造函数，将T2值赋值给o1
Default ctor // 创建临时变量temp
Copy ctor    // temp以复制拷贝的方式赋值给CreateObj1()函数返回值,此处假设为temp2
Copy ctor    // 通过调用拷贝构造函数，将temp2值赋值给o2

在上一节中，我们提到过，可以通过使用移动构造的方式来避免拷贝，为了测试该功能，尝试在Obj类中新增一个移动构造函数：

#include <iostream>

struct Obj {
    Obj() {
       std::cout << "Default ctor" << std::endl;
    }

    Obj(const Obj& r) {
        std::cout << "Copy ctor" << std::endl;
    }
    
    Obj(const Obj&& r) { // 移动构造函数
        std::cout << "Move ctor" << std::endl;
    }
    
    int x_ = 0;
};

Obj CreateObj1() {
    return Obj();
}

Obj CreateObj2() {
    Obj temp;
    temp.x_ = 42;
    return temp;
}

int main() {
    Obj o1(CreateObj1());
    Obj o2(CreateObj2());
   
    return 0;
}

输出如下(编译选项为-std=c++11 -fno-elide-constructors)：

Default ctor
Move ctor
Move ctor
Default ctor
Move ctor
Move ctor

看了上述输出，不禁奇怪，为什么在CreateObj2()函数中，创建的temp明明是一个左值，此处却调用的是移动构造即当做右值使用呢？，我们不妨看看标准对此处的解释：

in a return statement in a function with a class return type, when the expression is the name of a non-volatile automatic object (other than a function parameter or a variable introduced by the exception-declaration of a handler (14.4)) with the same type (ignoring cv-qualification) as the function return type, the copy/move operation can be omitted by constructing the automatic object directly into the function call’s return object

意思是当返回语句中的表达式是一个非volatile的命名对象，其类型与函数的返回类型相同时，编译器可以优化掉拷贝或移动操作，直接将自动对象构造到函数调用的返回对象中。

这意味着，当函数返回一个自动对象时，编译器可以优化掉不必要的拷贝或移动操作，直接将自动对象构造到函数调用的返回对象中，以提高效率。这种优化在 C++ 标准中被明确规定，以支持更高效的代码生成。

标准的这一规定，使得原本不支持拷贝的对象，作为函数返回值时，也成了可能。

众所周知，std::unique_ptr<>不支持拷贝操作，即：

std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(1);
std::unique_ptr<int> p2 = p1;

上述代码将编译失败，错误提示如下：

error: use of deleted function 'std::unique_ptr<_Tp, _Dp>::unique_ptr(const std::unique_ptr<_Tp, _Dp>&) [with _Tp = int; _Dp = std::default_delete<int>]'
    std::unique_ptr<int> p2 = p1;
note: declared here
  unique_ptr(const unique_ptr&) = delete;

那么，如果将其作为函数返回值呢？

std::unique_ptr<int> CreateUnique() {
    auto ptr = std::make_unique<int>(0);
    return ptr;
}

int main() {
  CreateUnique();
  return 0;
}

编译正确，进一步证明了我们前面的说法。

好了，如果我们在编译选项中去掉-fno-elide-constructors，那么输出如下：

Default ctor
Default ctor

通过这个输出，可以看出，编译器忽略了拷贝构造函数的调用，而是直接构造o1和o2对象，这种方式在性能上有了很大的提升，编译器对o1和o2的这种优化方式称为RVO和NRVO。

现在，我们仔细回想下前面的示例代码，在编译的时候，都加上了-std=c++11这个选项，这是因为笔者的gcc11.4默认情况下是用的c++17，而c++17是能够保证RVO优化的，单独对NRVO则不能保证。

如果使用g++ test.cc -o test编译并运行代码，输出：

Default ctor
Default ctor