每周技巧 #117：拷贝消除和按值传递

本文翻译自 Abseil 官网的 Tip of the Week #117: Copy Elision and Pass-by-value。

原文最初作为 TotW #117 发布于 2016 年 6 月 8 日。

作者：Geoff Romer

“一切都如此遥远，一份拷贝的拷贝的拷贝。万物的失眠距离，你碰不到任何东西，也没有任何东西能碰到你。”— Chuck Palahniuk

假设你有一个这样的类：

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class Widget {
 public:
  …

 private:
  string name_;
};

你会如何编写它的构造函数？多年来，答案一直是这样：

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// 第一版构造函数
explicit Widget(const std::string& name) : name_(name) {}

不过，现在有一种替代写法越来越常见：

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// 第二版构造函数
explicit Widget(std::string name) : name_(std::move(name)) {}

（如果你不熟悉 std::move()，见 TotW #77，或者假装我用的是 std::swap；同样的原则适用。）这里发生了什么？按拷贝传递 std::string 难道不是非常昂贵吗？事实证明，不，有时按值传递（正如我们将看到的，它其实并不是“按拷贝”）可以比按引用传递高效得多。

为了理解原因，考虑调用点是这样的情况：

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Widget widget(absl::StrCat(bar, baz));

使用第一版 Widget 构造函数时，absl::StrCat() 会生成一个包含拼接字符串值的临时字符串，通过引用传给 Widget()，然后该字符串被复制到 name_ 中。使用第二版 Widget 构造函数时，临时字符串按值传入 Widget()。你可能以为这会导致字符串被复制，但魔法就在这里发生：当编译器看到一个临时对象被用来拷贝构造对象时，编译器会¹直接让临时对象和新对象使用同一块存储，因此从一个复制到另一个字面上是免费的；这叫做拷贝消除。由于这个优化，字符串从未被复制，只移动一次，而移动是廉价的常数时间操作。

再考虑实参不是临时对象时会发生什么：

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string local_str;
Widget widget(local_str);

在这种情况下，两版代码都会复制字符串，但第二版还会移动字符串。同样，移动是廉价的常数时间操作，而复制是线性时间操作，所以在很多情况下，这是很值得付出的代价。

让这种技术可行的 name 参数关键属性是：name 必须被复制。事实上，这种技术的本质，是尝试让拷贝操作发生在函数调用边界上，在那里它可以被消除，而不是发生在函数内部。这并不一定要涉及 std::move()；例如，如果函数需要修改副本而不是存储它，也可以直接原地修改。

何时使用拷贝消除

按值传递参数有几个缺点需要记住。首先，它会让函数体更复杂，从而带来维护和可读性负担。例如，在上面的代码中，我们添加了一个 std::move() 调用，这带来意外访问已移动值的风险。在这个函数中风险很小，但如果函数更复杂，风险会更高。

第二，它可能降低性能，有时方式还很意外。不对具体工作负载做性能分析时，有时很难判断它是否净收益。

• 如上所述，这种技术只适用于需要被复制的参数；当应用到不需要复制、或只需要有条件复制的参数上时，最好也没用，最坏则有害。
• 这种技术通常会在函数体中引入某些额外工作，例如上面例子中的移动赋值。如果这些额外工作带来太多开销，那么在无法消除拷贝的情况下，减速可能不值得在可以消除拷贝的情况下获得的加速。注意，这个判断可能取决于你的具体用例。例如，如果传给 Widget() 的实参几乎总是很短，或者几乎从不是临时对象，那么这种技术总体上可能有害。和考虑优化权衡时一样，拿不准就测量。
• 当相关拷贝是拷贝赋值时（例如我们想给 Widget 添加一个 set_name() 方法），按引用传递版本有时可以复用 name_ 的现有缓冲区来避免内存分配，而按值传递版本会分配新内存。此外，按值传递总是替换 name_ 分配这一事实，可能导致后续更糟的分配行为：如果 name_ 字段在设置后通常会随时间增长，那么在按值传递情况下，这种增长会需要进一步的新分配；而按引用传递情况下，只有当 name_ 字段超过历史最大大小时才会重新分配。

一般来说，你应该优先选择更简单、更安全、更可读的代码；只有在有具体证据证明复杂版本性能更好且差异重要时，才采用更复杂的写法。这个原则当然适用于这种技术：按 const 引用传递更简单、更安全，因此仍然是很好的默认选择。不过，如果你在已知性能敏感的区域工作，或者基准测试显示你在复制函数参数上花了太多时间，按值传递会是工具箱中非常有用的工具。