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Intro
返回值优化(Return Value Optimization, RVO)是 C++中的一种编译器优化技术, 它允许编译器在某些情况下省略临时对象的创建和复制/移动操作, 从而提高程序性能. RVO 主要应用于函数返回值的场景.
两种形式的 RVO
假定我们有这样一个类:
class MyClass {std::string name_;public:void SetName(std::string name) { name_ = name; }MyClass() { fmt::println("默认构造函数"); }MyClass(std::string name) : name_(name) {fmt::println("构造函数: {}", name);}MyClass(const MyClass& rhs) : name_(rhs.name_) {fmt::println("拷贝构造函数: {}", rhs.name_);}MyClass(MyClass&& rhs) noexcept {name_ = std::move(rhs.name_);rhs.name_ = name_ + "[MOVED]";fmt::println("移动构造函数: {}", name_);}MyClass& operator=(const MyClass& rhs) {fmt::println("拷贝赋值运算符");return *this;}MyClass& operator=(MyClass&&) noexcept {fmt::println("移动赋值运算符");return *this;}~MyClass() { fmt::println("析构函数, name={}", name_); }
};
-
命名返回值优化(Named Return Value Optimization, NRVO): 当一个函数返回一个局部变量时, 如果这个变量的类型与函数返回类型相同, NRVO 允许编译器直接在调用者的作用域内构造该局部变量, 而不是先构造然后复制到返回值.
MyClass NamedRVO(bool useFirst) {MyClass result("named RVO");return result; } -
无名返回值优化(Unamed Return Value Optimization): 当返回一个临时对象时, 编译器可以在调用者的空间直接构造这个临时对象, 避免了临时对象的生成以及后续的复制/移动操作.
MyClass UnamedRVO() {return MyClass("unamed RVO"); }
我们使用如下的测试代码, 有兴趣的读者可以打开运行(CSDN不适用, 可以访问个人网站版本):
int main(int n, char** args) {MyClass unamed = UnamedRVO();fmt::println("=======");MyClass named = NamedRVO(true);
}
输出:
构造函数
=======
默认构造函数
析构函数, name=named RVO
析构函数, name=unamed RVO
从析构函数的调用次数我们可以判断出使用了 RVO, 因为没有临时变量的产生. 直接在返回值所在的地方生成对象, 省略了返回值的拷贝或者移动.
为了对比, 我们再看一下没有启用 RVO 的输出:
构造函数: unamed RVO
移动构造函数: unamed RVO
析构函数, name=unamed RVO[moved]
移动构造函数: unamed RVO
析构函数, name=unamed RVO[moved]
=======
构造函数: named RVO
移动构造函数: named RVO
析构函数, name=named RVO[moved]
移动构造函数: named RVO
析构函数, name=named RVO[moved]
析构函数, name=named RVO
析构函数, name=unamed RVO
当启用了 RVO 后, 我们看到程序实际上是在返回值所在的地方构造了一个对象, 不需要借助拷贝或者移动.
RVO 的发展历程
- 从 C++98 开始, 编译器被允许做 RVO 优化
- 从 C++17 开始, 编译器被强制要求做 RVO 优化(Mandatory Copy Elision)
RVO 可以被禁用, 在编译的时候指定 -fno-elide-constructors(GCC/Clang) 来禁用 RVO.
C++17 中的改进
从 C++17 开始, 复制省略成为了标准的一部分, 这意味着即使类的复制/移动构造函数有副作用(如打印信息), 编译器也允许跳过这些步骤, 直接构造返回的对象. 这使得 RVO 不仅是一个优化选项, 而且是语言的一个特性, 进一步提高了代码的效率和简洁性.
RVO 失效的情况
下面的情况下 RVO 不会被触发.
-
编译器选项设置了
-fno-elide-constructors -
函数返回的是一个全局变量:
MyClass global("global"); MyClass NoRVO1() { return global; } -
当返回类型不匹配时:
class Child : public MyClass { public:Child() : MyClass("child") { fmt::println("child"); } };MyClass NoRVO2() { return Child(); } -
如果返回的可能是不同的对象, 那么编译器将无法确定哪个对象应该被返回, 因此无法触发 RVO.
多个
return语句MyClass NoRVO3(int x) {MyClass r1("r1");MyClass r2("r2");if (x > 0) {return r2;}return r1; }或者单个 return 语句里面有条件分支
MyClass NoRVO4(int x) {MyClass r1("r1");MyClass r2("r2");return x > 0 ? r2 : r1; } -
加了一个不必要的
std::move. 这属于画蛇添足了, RVO 比起 move 来更高效.MyClass NoRVO5() {MyClass r1("r1");return std::move(r1); }
RVO 与 std::move
上面讲到std::move会导致 RVO 失效, 那么或许有人会问: 已经存在 move 了那 RVO 还有必要吗?
实际上是有必要的. 因为 RVO 是在返回位置处之间创建对象, 而 move 是先创建一个临时变量, 再进行 move. 明显多做了一步, 这一步无论再小也是代价. 另外对于 POD 类型来说, move 就是拷贝.
下面做了一个测试对比, 我们看看 move 和 RVO 的性能差别:
#include <benchmark/benchmark.h>
#include <fmt/core.h>#include <string>//{
class SimpleClass {std::string name_;public:SimpleClass(std::string name) : name_(name) {}
};SimpleClass UnamedRVO() { return SimpleClass("test string"); }SimpleClass Move() { return std::move(SimpleClass("test string")); }void BM_UnamedRVO(benchmark::State& state) {for (auto _ : state) {SimpleClass unamed = UnamedRVO();benchmark::DoNotOptimize(unamed);}
}void BM_Move(benchmark::State& state) {for (auto _ : state) {SimpleClass moved = Move();benchmark::DoNotOptimize(moved);}
}BENCHMARK(BM_UnamedRVO);
BENCHMARK(BM_Move);BENCHMARK_MAIN();
//}
测试结果(Release 版本):
-------------------------------------------------------
Benchmark Time CPU Iterations
-------------------------------------------------------
BM_UnamedRVO 5.25 ns 5.24 ns 116932087
BM_Move 10.7 ns 10.6 ns 68695102
请注意在使用 benchmark 库的时候, 需要使用benchmark::DoNotOptimize来避免编译器优化掉代码. 因为unamed和moved都是局部变量, 编译器可能会优化掉它们的创建和销毁. 就会出现运行开销为 0 的谬误.
-------------------------------------------------------
Benchmark Time CPU Iterations
-------------------------------------------------------
BM_UnamedRVO 0.000 ns 0.000 ns 1000000000000
BM_Move 10.1 ns 10.1 ns 66627774
参考链接
- 演示示例源码
- C++ RVO: Return Value Optimization for Performance in Bloomberg C++ Codebases - Michelle Fae D’Souza