C++ 返回值优化（RVO，Return Value Optimization）

前言

大家都知道“过早的优化是万恶之源”这句话，然而我相信其中的大多数人都不知道自己是不是在做过早的优化。我也无法准确的定义什么叫做“过早的优化”，但我相信这“过早的优化”要么是得不偿失的，要么干脆是有害无利的。今天我就想举个我认为是“过早的优化”的例子。

从函数返回值

为了从一个函数得到运行结果，常规的途径有两个：通过返回值和通过传入函数的引用或指针（当然还可以通过全局变量或成员变量，但我觉得这算不上是什么好主意）。

通过传给函数一个引用或指针来承载返回值在很多情况下是无可厚非的，毕竟有时函数需要将多个值返回给用户。除了这种情况之外，我觉得应当尽量做到参数作为函数输入，返回值作为函数输出（这不是很自然的事情吗？）。然而，我们总能看到一些“突破常规”的做法：

首先定义Message类：

struct Message
{int a;int b;int c;int d;int e;int f;
};

为了从某个地方（比如一个队列）得到一个特定Message对象，有些人喜欢写一个这样的getMessage：

void getMessage(Message &msg); // 形式1

虽然只有一个返回值，但仍然是通过传入函数的引用返回给调用者的。

为什么要这样呢？“嗯，为了提高性能。你知道，要是这样定义函数，返回Message对象时必须要构造一个临时对象，这对性能有影响。”

Message getMessage(); // 形式2

我们先不讨论这带来了多少性能提升，先看看形式1相对形式2带来了哪些弊端。我认为有两点：

1. 可读性变差

略（我希望你能和我一样认为这是显而易见的）。

2. 将对象的初始化划分成了两个步骤

调用形式1时，你必然要这样：

Message msg;     // S1
getMessage(msg); // S2

这给维护者带来了犯错的机会：一些需要在S2语句后面对msg进行的操作有可能会被错误的放在S1和S2之间。
如果是形式2，维护者就不可能犯这种错误：

Message msg = getMessage();

好，现在我们来看性能，形式2真的相对形式1性能更差吗？对于下面的代码：

#include <stdio.h>struct Message
{Message(){ printf("Message::Message() is called\n"); }Message(const Message &){printf("Message::Message(const Message &msg) is called\n");}Message& operator=(const Message &){printf("Message::operator=(const Message &) is called\n");}~Message(){printf("Message::~Message() is called\n");}int a;int b;int c;int d;int e;int f;
};Message getMessage()
{Message result;result.a = 0x11111111;return result;
}int main()
{Message msg = getMessage();return 0;
}

你认为运行时会输出什么呢？是不是这样：

Message::Message() is called
Message::Message(const Message &msg) is called
Message::~Message() is called
Message::~Message() is called

其中，第一行是临时对象result构造时打印，第二行是将临时对象赋给msg时打印，第三行是临时对象result析构时打印，第四行是msg析构时打印。

然而使用GCC 7.3.0版本使用O0（即关闭优化）编译上述代码后，运行结果为：

Message::Message() is called
Message::~Message() is called

并没有像预期的输出那样。

如果使用MSVC2017编译，且关闭优化（/Od），确实可以得到预期输入，但是一旦打开优化（/O2），输出就和GCC的一样了。

我们看看实际上生成了什么代码（使用GCC编译）：

(gdb) disassemble main
Dump of assembler code for function main():0x0000000000000776 <+0>:  push   %rbp0x0000000000000777 <+1>:  mov    %rsp,%rbp0x000000000000077a <+4>: push   %rbx0x000000000000077b <+5>:  sub    $0x28,%rsp0x000000000000077f <+9>:    mov    %fs:0x28,%rax0x0000000000000788 <+18>:    mov    %rax,-0x18(%rbp)0x000000000000078c <+22>: xor    %eax,%eax0x000000000000078e <+24>:    lea    -0x30(%rbp),%rax             #将栈上地址-0x30(%rbp)传给getMessage函数0x0000000000000792 <+28>: mov    %rax,%rdi0x0000000000000795 <+31>:    callq  0x72a <getMessage()>0x000000000000079a <+36>:   mov    $0x0,%ebx0x000000000000079f <+41>:    lea    -0x30(%rbp),%rax0x00000000000007a3 <+45>: mov    %rax,%rdi0x00000000000007a6 <+48>:    callq  0x7e4 <Message::~Message()>0x00000000000007ab <+53>:    mov    %ebx,%eax0x00000000000007ad <+55>:    mov    -0x18(%rbp),%rdx0x00000000000007b1 <+59>: xor    %fs:0x28,%rdx0x00000000000007ba <+68>:    je     0x7c1 <main()+75>0x00000000000007bc <+70>: callq  0x5f0 <__stack_chk_fail@plt>0x00000000000007c1 <+75>:  add    $0x28,%rsp0x00000000000007c5 <+79>:   pop    %rbx0x00000000000007c6 <+80>: pop    %rbp0x00000000000007c7 <+81>: retq
End of assembler dump.
(gdb) disassemble getMessage
Dump of assembler code for function getMessage():0x000000000000072a <+0>:    push   %rbp0x000000000000072b <+1>:  mov    %rsp,%rbp0x000000000000072e <+4>: sub    $0x20,%rsp0x0000000000000732 <+8>:    mov    %rdi,-0x18(%rbp)                 #将main函数传入的栈上地址保存到-0x18(%rbp)处0x0000000000000736 <+12>:  mov    %fs:0x28,%rax0x000000000000073f <+21>:    mov    %rax,-0x8(%rbp)0x0000000000000743 <+25>:  xor    %eax,%eax0x0000000000000745 <+27>:    mov    -0x18(%rbp),%rax             #将main函数传入的栈上地址传给Message::Message()函数0x0000000000000749 <+31>:   mov    %rax,%rdi0x000000000000074c <+34>:    callq  0x7c8 <Message::Message()>0x0000000000000751 <+39>: mov    -0x18(%rbp),%rax0x0000000000000755 <+43>: movl   $0x11111111,(%rax)0x000000000000075b <+49>:   nop0x000000000000075c <+50>: mov    -0x18(%rbp),%rax0x0000000000000760 <+54>: mov    -0x8(%rbp),%rdx0x0000000000000764 <+58>:  xor    %fs:0x28,%rdx0x000000000000076d <+67>:    je     0x774 <getMessage()+74>0x000000000000076f <+69>:   callq  0x5f0 <__stack_chk_fail@plt>0x0000000000000774 <+74>:  leaveq 0x0000000000000775 <+75>: retq
End of assembler dump.

可以看出来，在getMessage函数中构造的对象实际上位于main函数的栈帧上，并没有额外构造一个Message对象。这是因为开启了所谓的返回值优化（RVO，Return Value Optimization）的缘故。你想得到的效果编译器已经自动帮你完成了，你不必再牺牲什么。

RVO

对于我们这些用户来说，RVO并不是什么特别复杂的机制，主流的GCC和MSVC均支持，也没什么特别需要注意的地方。它存在的目的是优化掉不必要的拷贝复制函数的调用，即使拷贝复制函数有什么副作用，例如上面代码中的打印语句，这可能是唯一需要注意的地方了。从上面的汇编代码中可以看出来，在GCC中，其基本手段是直接将返回的对象构造在调用者栈帧上，这样调用者就可以直接访问这个对象而不必复制。

RVO是有限制条件的，在某些情况下无法进行优化，在一篇关于MSVC2005的RVO技术的文章中，提到了3点导致无法优化的情况：

1. 函数抛异常

关于这点，我是有疑问的。文章中说如果函数抛异常，开不开RVO结果都一样。如果函数抛异常，无法正常的返回，我当然不会要求编译器去做RVO了。

2. 函数可能返回具有不同变量名的对象

例如：

Message getMessage_NoRVO1(int in)
{Message msg1;msg1.a = 1;Message msg2;msg2.a = 2;if (in % 2){return msg1;}else{return msg2;}
}

经过验证，在GCC上确实也是这样的，拷贝构造函数被调用了。但这种情况在很多时候应该都是可以通过重构避免的。

Message::Message() is called
Message::Message() is called
Message::Message(const Message &msg) is called
Message::~Message() is called
Message::~Message() is called
Message::~Message() is called

3. 函数有多个出口

例如：

Message getMessage_NoRVO2(int in)
{Message msg;if (in % 2){return msg;}msg.a = 1;return msg;
}

这个在GCC上验证发现RVO仍然生效，查看汇编发现只有一个retq指令，多个出口被优化成一个了。
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