C++之返回值优化

返回值优化（Return value optimization，缩写为RVO）是C++的一项编译优化技术。它最大的好处是在于： 可以省略函数返回过程中复制构造函数的多余调用，解决 “C++ 中长久以来为人们所诟病的临时对象的效率问题”。

我们先谈正常情况下函数调用的过程。

class RVO
{
public:
  RVO(){printf("I am in constructor\n");}
  RVO (const RVO& c_RVO) {printf ("I am in copy constructor\n");}
  ~RVO(){printf ("I am in destructor\n");}
  int mem_var;      
};
RVO MyMethod (int i)
{
  RVO rvo;
  rvo.mem_var = i;
  return (rvo);
}
int main()
{
  RVO rvo;
  rvo=MyMethod(5);
}

其中非常关键的地方在于对MyMethod函数的编译处理。

RVO MyMethod (int i)
{
  RVO rvo;
  rvo.mem_var = i;
  return (rvo);
}

如果没有返回值优化这项技术，那么实际上的代码应该是编译器处理后的代码应该是这样的：

RVO MyMethod (RVO &_hiddenArg, int i) 
{
  RVO rvo; 
  rvo.RVO::RVO(); 
  rvo.member = i ;  
  _hiddenArg.RVO::RVO(rvo); 
  return;
  rvo.RVO::~RVO(); 
}

1. 首先，编译器会偷偷地引入一个参数RVO & _hiddernArg，该参数用来引用函数要返回的临时对象，换句话说，该临时对象在进入函数栈之前就已经建立，该对象已经拥有的所属的内存地址和对应的类型；但对应内存上的二进制电位状态尚未改变，即尚未初始化。
   以上涉及到一点变量的概念。变量本质上是一个映射单位，每个映射单位里都有三个元素：变量名、类型、内存地址。变量名是一个标识符。当要对某块内存写入数据时，程序员使用相应的变量名进行内存的标识，而地址这个元素就记录了这个内存的地址位置。而相应类型则告诉编译器应该如何解释此地址所指向的内存，因为本质上，内存上有的仅仅只是两种不同电位的组合而已。因而变量所对应的地址所标识的内存的内容叫做此变量的值。有兴趣的同学可以详细阅读一下这篇文章C++从零开始(三)。
2. RVO rvo; 这里我们创建一个变量——RVO类的对象rvo；计算机将圈定一块内存地址为该变量使用，并声明类型，告诉编译器以后要怎么解释这块内存。
3. rvo.RVO::RVO(); 但是以上操作尚未改变该内存上的 二进制的电位状态；改变电位状态的工作由rvo对象的构造函数完成。
4. _hiddenArg.RVO::RVO(rvo); 用rvo对象来调用 临时对象 的拷贝构造函数 来对临时对象进行构造。
5. rvo.RVO::~RVO(); 函数返回结束; 析构函数内部定义的所有对象。

总结一下一般的函数调用过程中的变量生成传递：

1. 在函数的栈中创建一个名为rvo的对象
2. 关键字 return 后的rvo 表示的用变量rvo来构造需要返回的临时对象
3. 函数返回结束，析构掉在函数内建立的所有对象
4. 继续表达式rvo=MyMethod(5);里的操作
5. 语句结束，析构临时对象

这里，在函数栈里创建的对象rvo在函数MyMethod返回时就被析构，其唯一的操作仅仅是调用函数的返回对象、即所谓的临时对象的复制构造函数，然后就被析构了。特别的，如果对象rvo是一个带有大量数据的变量，那么这一次变量的创建与销毁的开销就不容小觑。

但是，如果开启了返回值优化，那么当编译器识别出了 return后的返回对象rvo和函数的返回对象的类型一致，就会对代码进行优化 。编译器转而会将二者的直接关联在一起，意思就是，对rvo的操作就相当于直接对 临时对象的操作，因而编译器处理后的代码应该是这样的：

RVO MyMethod(RVO &_hiddenArg, int i)
{
  _hiddenArg.RVO::RVO();
  _hiddenArg.member = i;
  Return
}

可以发现，优化后的函数依然可以处理相同的工作，但是省略掉了一次复制构造。
因而，在编译时启用以及不启用 RVO 将产生一下两种不同的行为：

1. 若不启用 RVO，预期输出将是：

I am in constructor
I am in constructor
I am in copy constructor
I am in destructor
I am in destructor
I am in destructor

2. 若启用 RVO，预期输出将是：

I am in constructor
I am in constructor
I am in destructor
I am in destructor

进一步的，我们也可以预见 使用如下的Method函数也将会有相同的输出结果

RVO MyMethod_01 (int i)
{
  return RVO(i);
}
RVO MyMethod_02 (int i)
{
  return MyMythod_01(int i);
}

这里再稍稍拓展另一个很重要的优化技术，称为复制省略或者译作“省略不必要的复制”（copy elision）。继续以上述代码为例，当用RVO类型的临时对象去初始化同类型的对象时，复制初始化通常优化为直接初始化；但在语义上仍然需要复制构造函数是可访问的。
比如RVO rvo=MyMethod();返回的将是

I am in constructor
I am in destructor

这块详细可见维基百科。复制省略

参考：

1. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%BF%94%E5%9B%9E%E5%80%BC%E4%BC%98%E5%8C%96
2. https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms364057(v=vs.80).aspx