我们都讨厌 copy ?

关于 copy (拷贝) 是我们 C++ 开发者老生常谈的话题，对于 copy 的态度更是能免则免。不必要的拷贝除了会降低程序的性能，还会引发各种令人意想不到的问题，例如 C++ 的 Rule-of-Three 就是关于 C++ 的 copy 的另一个热议话题。

如何避免 copy ?

在 C++ 的世界里，一个对象可以有两种传递方式。一是 pass-by-value (值传递)，另一个是 pass-by-address/reference (引用传递) 适用于指针或者引用。一般我们讨论传递方式是基于把参数传入函数内部。今天我要讨论的 Copy Elision (拷贝消除)，简称为 CE，既涉及函数参数传递，又涉及函数返回值返回。需要注意的是，我对 CE 展开的讨论是基于 C++ 17 版本之前。

CE 在不同的语境下触发的条件也有所不同，分为 Mandatory Elision of Copy (强制性拷贝消除) 与 Non-Mandatory Elision of Copy (非强制性) 。

强制性 Copy Elision

定义 class Widget ，为了验证函数的调用，在函数体里打印文本。

class Widget
{public:Widget() { std::cout << "ctor \n"; }Widget(const Widget& other) { std::cout << "copy ctor \n"; }Widget& operator = (const Widget& other) { std::cout << "copy assignment \n"; return *this; }
};

我以前会认为如果用一个对象去接函数 func() 的返回值会调用 Widget::(const Widget&) ，但实际上并非如此。是否会调用拷贝构造函数取决于返回值的 category (类别) 。显然函数 func() 的返回值 Widget() 的类别是 prvalue (纯右值) 并且 type (类型) 是 Widget 必须触发强制性拷贝消除。我们称这种为 RVO (return value optimization) 。

所以在 operator= 的右边，无论嵌套多少层 Widget::Widget() 始终只会调用一次构造函数，零拷贝。

Widget func()
{return Widget();  // rvalue
}int main()
{auto obj = Widget(Widget(Widget(func());
}

非强制性 Copy Elision

在某些特定的环境下，编译器允许拷贝消除，但不一定会利用拷贝消除。我们不妨改写一下函数 func() 。函数 func() 的返回值再也不是一个 prvalue (纯右值) ，而是一个 lvalue (左值) 。这称为 NRVO (named return value optimization)。

这次程序调用了一次 Widget::Widget() 和一次 Widget::(const Widget&)。无论如何至少进行了一次拷贝。

Widget func()
{Widget w;  // lvaluereturn w; // 输出 ctor
}int main()
{auto widget = Widget(Widget(Widget(func()); // 输出 copy ctor
}

总结

这里只是对 Copy Elision 进行了简单的介绍。CE 涉及的情况太多，在不同版本的 C++ 的表现又不一样。如果想要深入 CE 的话，不妨参考 Copy elision 这个页面并且在自己的机器上运行。

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