cpp-编译器优化 - YHT's Note Repo

%% # 纲要 > 主干纲要、Hint/线索/路标 # Q&A #### 已明确 #### 待明确 > 当下仍存有的疑惑 **❓ 有什么问题？** %% # 拷贝省略 Copy Elision [拷贝省略（Copy Elision）](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/copy_elision)是 C++中的一个优化技术，允许编译器在某些情况下**省略临时对象的拷贝和移动操作**，旨在避免不必要的资源分配与释放，提升程序执行效率。 - 在 C++17 之前，拷贝省略属于 "编译器" 自身的优化行为，例如 RVO/NRVO 优化。 - 自 C++17 起，对拷贝省略的规则进行了**扩展和明确化**，将某些情况的拷贝省略**纳入了标准规定**（即从 "**编译器可选**" 变为 "**强制/编译器必须**"），**从 "语义标准" 的层面上保证了拷贝省略的行为**，而不再是仅依赖于编译器自身的优化策略。 > [!caution] > - 在 **`return` 语句**或 **` throw ` 表达式**中，如果满足或将满足拷贝省略的触发条件，但编译器因为某些原因不能执行拷贝省略，则**编译器将尝试使用==移动构造函数==** (除非源对象是函数参数) > > > > - 在**常量表达式**（constant expression）或**常量初始化**（constant initialization）中，不会执行拷贝省略。 ## 强制省略（mandatory copy elision）自 C++17 起，**纯右值 (`prvalue`) 直到需要使用时才会被具现化（materialized）**，并直接**构造到其最终所处的上下文的内存空间中**。因此，在以下几个涉及 "**==纯右值语义==**"（prvalue semantics）的场景中，C++17 标准要求编译器**必须/强制执行拷贝省略**： - **函数返回一个==临时对象==** 时（仅 **URVO** 被标准规定为必须执行，而不包含 NRVO，后者仍是可选的） - `return MyClass();` - **==临时对象==用于初始化时**：用临时对象（`prvalue`）初始化 "**同类型的**另一个对象"时，省略拷贝/移动构造函数。 - `MyClass obj = MyClass();` - **==临时对象==用作函数形参时**：将临时对象（`prvalue`）作为函数参数传递时，省略拷贝/移动构造函数。 - `SomeFunc(MyClass());` ## 非强制性拷贝省略（non-mandatory copy/move elision）在其他场景下，**"拷贝省略" 仍然是编译器可选的**，C++标准不强制要求。包括： - **NRVO 优化** - 在 `throw` 表达式中，当操作数是 **`non-volatile` 的自动变量**，且其并非函数参数、catch 子句参数、且其作用域没有扩展到最内层的 `try` 语句块时（如果存在 `try` 语句块）； - 在 catch 子句中，当**参数与抛出的异常对象的类型相同**(忽略 cv-qualification) 时，**对==异常对象的拷贝==将被省略**。 - catch 子句体中，将直接访问异常对象，就像通过引用捕获一样。 - 在协程中... since C++20 # RVO 返回值优化 **==返回值优化==** （Return Value Optimization，RVO），是编译器提供的一种**针对 "函数返回值"** 的编译层面的优化[^1]。返回值优化发生在 "函数需要**返回一个==函数体内==构建的、==与函数返回类型相同==的==局部对象==**" 的场景。编译器执行返回值优化时，**将直接在 "==调用者期望的目标位置==" 构造 "将返回的对象"**，从而**省略中间的任何移动、拷贝构造**。 > [!caution] 函数形参与此无关！当返回函数形参时，其不能被进行优化编译器提供的 **返回值优化** （Return Value Optimization，RVO）包括两种： - **==URVO== 优化**（Unnamed Return Value Optimization）：未命名的返回值优化 - **==NRVO== 优化**（Named Return Value Optimization）：具名的返回值优化 > [!info] URVO 与 NRVO 的区别 > URVO 优化与 NRVO 优化的区别只在于返回值 "**是否为 ==具名（具有标识符）的局部左值对象==** "： > - 如果 `return` 语句**直接返回一个临时对象 (`prvalue`)**，则属于 **==URVO== 优化**； > - 如果 `return` 语句返回一个**具名的局部变量**，则属于 **==NRVO== 优化**。 > > [!NOTE] **RVO 优化**是**编译器本身提供的功能**，在 C++11 标准之前就已经被大多数编译器支持，**其与移动语义无关**，**不依赖于移动构造函数**。 > [!caution] 在满足触发 `RVO` 优化的场景下，应用 `std::move()` 是多余的！ > > C++标准关于 RVO 的部分表明，**如果满足 RVO 的条件**，由于某种原因 **编译器未能应用 RVO 优化**，则返回的对象 **==必须被视为右值==**。 > 实际上，**标准要求当 RVO 被允许时**，**要么实行拷贝消除，要么==将 `std::move` 隐式应用==于返回的局部对象**。 > > ```cpp > MyClass createObject() { > MyClass obj; > //... > return obj; // 如果编译器未执行RVO优化, 则会等价于隐式地应用下列语句. 因此, 显式使用`std::move()` 是多余的. > // return std::move(obj); > } > ``` > > > [!info] 可以将 RVO 优化关闭，可以对 g++增加选项 `-fno-elide-constructors` > ### 返回值优化的原理这一优化是编译器**在编译阶段**实现的，而非运行时的动态决策。编译器在进行代码分析后，若确定可进行返回值优化，则**在生成代码时将==更改返回对象的存储位置==**——**直接在 "==调用函数的上下文==" 中分配该对象的存储空间**，而不是在函数的局部作用域内。由此，函数体内构造的、**将返回的局部对象实际位于==函数调用者的栈帧上==**。具体过程为： - **在==调用者的栈帧==上分配空间**：编译器会在函数调用者的栈帧上**预留空间用于构造返回对象**； - **调整返回指令**：编译器调整函数的返回指令，以确保不会移动或拷贝对象，而是**直接使用预留空间的地址**。经过这一底层优化，编译器确保当函数返回时，**不需要再通过调用拷贝/移动构造函数来创建一个新的对象副本**。 ### 返回值优化触发场景 URVO 触发场景：直接返回**临时对象** ```cpp title:rvo_exam.cpp MyClass createObject() { //... return MyClass(); // 可以应用URVO, 编译器直接在返回值的位置构造obj, 省略拷贝/移动构造. } ``` NRVO 触发场景：返回具名的**局部对象** ```cpp title:nrvo_exam.cpp MyClass createObject() { MyClass obj; // 具名的局部对象 //... return obj; // 可以应用NRVO, 编译器直接在返回值的位置构造obj, 省略拷贝/移动构造. } ``` URVO/NRVO **==不适用==** 的场景：返回**函数的参数** > [!caution] RVO/NRVO 不适用的返回场景 > > 函数直接返回 "**传入的形参对象**" 时，不适用 URVO/NRVO，将**会调用拷贝构造函数**。 > > ```cpp title: no_rvo. cpp > // 函数直接返回 "传入的形参", 不适用 URVO/NRVO，会调用拷贝构造函数。 > MyClass func1 (MyClass obj) { // 该函数将会触发两次"拷贝构造函数"的调用: 传参时, 函数返回时; > return obj; > } > > MyClass func2 (const MyClass& obj) { // 该函数将会触发一次"拷贝构造函数"的调用: 函数返回值时; > return obj; > } > ``` > > # 常量传播（Const Propagation） **常量传播（Const Propagation）** 是由编译器提供的 "**编译优化技术**"，其作用是： - **将程序中==已知的常量值==替换到表达式中。** - **消除不必要的变量，==减少内存访问==，提高程序执行效率。** 简单来说，**如果某个变量的值在编译时可以确定为一个常量**，编译器就会**在所有使用该变量的地方直接替换这个常量值**，从而减少不必要的变量访问和计算。 ![[02-开发笔记/01-cpp/类与对象/cpp-类的数据成员#^mku4i3]] > [!NOTE] > ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/编译器相关/cpp-编译器优化.assets/IMG-cpp-编译器优化-C3D14BDF4DE15C038345B65CB2A79A8F.png|464]] # Buffer ## 闪念 > sudden idea ## 候选资料 > Read it later # ♾️参考资料 # Footnotes [^1]: [C++ 函数返回对象时并没有调用拷贝构造函数](https://blog.csdn.net/nbu_dahe/article/details/119142610)