每周技巧 #11：返回策略

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本文翻译自 Abseil 官网的 Tip of the Week #11: Return Policy。

原文最初作为 TotW #11 发布于 2012 年 8 月 16 日。

作者：Paul S. R. Chisholm

“Frodo：返程用的东西一点也不会剩下。” “Sam：我觉得不会有返程了，Frodo 先生。” – 《指环王：王者归来》（J.R.R. Tolkien 小说；Fran Walsh、Philippa Boyens 和 Peter Jackson 编剧）

注意：这条技巧虽然仍然相关，但它早于 C++11 移动语义的引入。阅读时也请同时记住 TotW #77 中的建议。

许多较老的 C++ 代码库，会表现出某种对复制对象的畏惧。幸运的是，借助一种叫做“返回值优化”（RVO）的机制，我们可以在不实际复制的情况下“复制”。

RVO 是几乎所有 C++ 编译器长期支持的特性。看下面这段 C++98 代码，它有拷贝构造函数和赋值运算符。这些函数非常昂贵，所以开发者让它们每次被使用时都打印一条消息：

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class SomeBigObject {
 public:
  SomeBigObject() { ... }
  SomeBigObject(const SomeBigObject& s) {
    printf("Expensive copy …\n", …);
    …
  }
  SomeBigObject& operator=(const SomeBigObject& s) {
    printf("Expensive assignment …\n", …);
    …
    return *this;
  }
  ~SomeBigObject() { ... }
  …
};

（注意，这里我们有意避开移动操作的讨论。更多信息见 TotW #77。）

如果这个类有下面这样的工厂方法，你会不会被吓得后退一步？

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static SomeBigObject SomeBigObjectFactory(...) {
  SomeBigObject local;
  ...
  return local;
}

看起来很低效，对吧？如果运行下面这行会发生什么？

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SomeBigObject obj = SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(...);

简单答案：你可能会预期至少创建两个对象：被调用函数返回的对象，以及调用函数中的对象。两者都是拷贝，所以程序会打印两条关于昂贵操作的消息。真实世界里的答案：不会打印任何消息，因为拷贝构造函数和赋值运算符根本没有被调用！

这是怎么发生的？许多 C++ 程序员会写“高效代码”：创建一个对象，把这个对象的地址传给一个函数，让该函数通过指针或引用操作原始对象。好吧，在下面描述的情形下，编译器可以把这种“低效拷贝”转换成那种“高效代码”！

当编译器看到调用函数中的一个变量（将由返回值构造），以及被调用函数中的一个变量（将被返回）时，它会意识到不需要同时存在这两个变量。在幕后，编译器会把调用函数中变量的地址传给被调用函数。

引用 C++98 标准的话：“每当一个临时类对象通过拷贝构造函数被复制时……实现可以把原对象和拷贝视为引用同一个对象的两种不同方式，并完全不执行拷贝，即使该类的拷贝构造函数或析构函数有副作用。对于返回类类型的函数，如果 return 语句中的表达式是一个局部对象的名字……实现可以省略创建用于保存函数返回值的临时对象……”（C++98 标准第 12.8 节 [class.copy] 第 15 段。C++11 标准第 12.8 节第 31 段有类似表述，但更复杂。）

担心“可以”听起来承诺不够强？幸运的是，所有现代 C++ 编译器默认都会执行 RVO，即使在 debug 构建中也是如此，即使函数没有内联也是如此。

如何确保编译器执行 RVO？

被调用函数应该为返回值定义一个单独变量：

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SomeBigObject SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(...) {
  SomeBigObject local;
  …
  return local;
}

调用函数应该把返回值赋给一个新变量：

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// 不会打印昂贵操作的消息：
SomeBigObject obj = SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(...);

就是这样！

如果调用函数复用一个已有变量来保存返回值，编译器就不能做 RVO（不过，对于支持移动的类型，这种情况下会应用移动语义）：

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// 这里不会发生 RVO；会打印 "Expensive assignment ..."：
obj = SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(s2);

如果被调用函数用多个变量作为返回值，编译器也不能做 RVO：

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// 这里不会发生 RVO：
static SomeBigObject NonRvoFactory(...) {
  SomeBigObject object1, object2;
  object1.DoSomethingWith(...);
  object2.DoSomethingWith(...);
  if (flag) {
    return object1;
  } else {
    return object2;
  }
}

但如果被调用函数只使用一个变量，并在多个位置返回它，那没有问题：

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// 这里会发生 RVO：
SomeBigObject local;
if (...) {
  local.DoSomethingWith(...);
  return local;
} else {
  local.DoSomethingWith(...);
  return local;
}

这大概就是你关于 RVO 需要知道的全部内容。

还有一件事：临时对象

RVO 不只适用于具名变量，也适用于临时对象。当被调用函数返回一个临时对象时，你也可以受益于 RVO：

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// 这里 RVO 生效：
SomeBigObject SomeBigObject::ReturnsTempFactory(...) {
  return SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(...);
}

当调用函数立即使用返回值（该返回值存储在临时对象中）时，你也可以受益于 RVO：

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// 不会打印昂贵操作的消息：
EXPECT_EQ(SomeBigObject::SomeBigObjectFactory(...).Name(), s);

最后说明：如果你的代码需要复制，那就复制，无论这些复制能不能被优化掉。不要用正确性换效率。

每周技巧 #10：拆分字符串，而不是吹毛求疵

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每周技巧 #18：使用 Substitute 进行字符串格式化

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