函数实际上是如何按值返回的？

Question

如果我有一个类 A（它通过值返回一个对象），并且两个函数 f() 和 g() 仅在它们的返回变量上有所不同：

class A
{
    public:
    A () { cout<<"constructor, "; }
    A (const A& ) { cout<<"copy-constructor, "; }
    A& operator = (const A& ) { cout<<"assignment, "; }
    ~A () { cout<<"destructor, "; }
};
    const A f(A x)
    {A y; cout<<"f, "; return y;}

    const A g(A x)
    {A y; cout<<"g, "; return x;}

main()
{
    A a;
    A b = f(a);
    A c = g(a);
}

现在当我执行A b = f(a); 行时，它会输出：

copy-constructor, constructor, f, destructor，假设 f() 中的对象 y 直接在目标（即对象 b 的内存位置）创建，并且不涉及临时对象，这很好。

当我执行A c = g(a); 行时，它输出：

copy-constructor, constructor, g, copy-constructor, destructor, destructor,.

所以问题是为什么在 g() 的情况下不能直接在 c 的内存位置创建对象，就像调用 f() 时发生的那样？为什么它在第二种情况下调用一个额外的复制构造函数（我认为是因为临时的参与）？

Answer 1

这里对您的代码稍作修改，这将帮助您完全理解那里发生了什么：

class A{
public:
    A(const char* cname) : name(cname){
        std::cout << "constructing " << cname << std::endl;
    }
    ~A(){
        std::cout << "destructing " << name.c_str() << std::endl;
    }
    A(A const& a){
        if (name.empty()) name = "*tmp copy*";
        std::cout 
            << "creating " << name.c_str() 
            << " by copying " << a.name.c_str() << std::endl;
    }
    A& operator=(A const& a){
        std::cout
            << "assignment ( "
                << name.c_str() << " = " << a.name.c_str()
            << " )"<< std::endl;
        return *this;
    }
    std::string name;
};

这是这个类的用法：

const A f(A x){
    std::cout 
        << "// renaming " << x.name.c_str() 
        << " to x in f()" << std::endl;
    x.name = "x in f()";
    A y("y in f()");
    return y;
}

const A g(A x){
    std::cout 
        << "// renaming " << x.name.c_str()
        << " to x in f()" << std::endl;
    x.name = "x in g()";
    A y("y in g()");
    return x;
}

int main(){
    A a("a in main()");
    std::cout << "- - - - - - calling f:" << std::endl;
    A b = f(a);
    b.name = "b in main()";
    std::cout << "- - - - - - calling g:" << std::endl;
    A c = g(a);
    c.name = "c in main()";
    std::cout << ">>> leaving the scope:" << std::endl;
    return 0;
}

这是在没有任何优化的情况下编译时的输出：

constructing a in main()
- - - - - - calling f:
creating *tmp copy* by copying a in main()
// renaming *tmp copy* to x in f()
constructing y in f()
creating *tmp copy* by copying y in f()
destructing y in f()
destructing x in f()
- - - - - - calling g:
creating *tmp copy* by copying a in main()
// renaming *tmp copy* to x in f()
constructing y in g()
creating *tmp copy* by copying x in g()
destructing y in g()
destructing x in g()
>>> leaving the scope:
destructing c in main()
destructing b in main()
destructing a in main()

您发布的输出是使用Named Return Value Optimization 编译的程序的输出。在这种情况下，编译器会尝试消除冗余的 Copy 构造函数和 Destructor 调用，这意味着在返回对象时，它将尝试返回对象而不创建其冗余副本。这是启用 NRVO 的输出：

constructing a in main()
- - - - - - calling f:
creating *tmp copy* by copying a in main()
// renaming *tmp copy* to x in f()
constructing y in f()
destructing x in f()
- - - - - - calling g:
creating *tmp copy* by copying a in main()
// renaming *tmp copy* to x in f()
constructing y in g()
creating *tmp copy* by copying x in g()
destructing y in g()
destructing x in g()
>>> leaving the scope:
destructing c in main()
destructing b in main()
destructing a in main()

在第一种情况下，由于 NRVO 已完成其工作，因此不会通过复制 y in f() 创建 *tmp copy*。在第二种情况下，虽然不能应用 NRVO，因为在这个函数中声明了另一个返回槽的候选者。欲了解更多信息，请参阅：C++ : Avoiding copy with the "return" statement :)

Answer 2

它可以（几乎）优化整个 g() 函数调用，在这种情况下，您的代码如下所示：

A a;
A c = a;

实际上这就是您的代码正在执行的操作。现在，当您将a 作为按值参数（即不是引用）传递时，编译器几乎必须在那里执行复制，然后按值返回此参数，它必须执行另一次复制。

在 f() 的情况下，由于它将实际上是临时的东西返回到未初始化的变量中，编译器可以看到使用 c 作为 f() 内部变量的存储是安全的.

Answer 3

不同之处在于，在g 的情况下，您返回的是一个传递给函数的值。该标准明确规定了在哪些条件下可以在 12.8p31 中删除副本，并且不包括从函数参数中删除副本。

基本上问题在于参数的位置和返回的对象是由调用约定固定的，编译器无法根据 实现（可能不会甚至在调用的地方可见）返回参数。

前段时间我开了一个短暂的博客（我希望有更多的时间......），我写了几篇关于 NRVO 和复制省略的文章，这可能有助于澄清这一点（或者不是，谁知道 :)）：

Value semantics: NRVO

Value semantics: Copy elision

Answer 4

问题在于，在第二种情况下，您将返回其中一个参数。鉴于参数复制通常发生在调用者的位置，而不是在函数内（在这种情况下为main），编译器会进行复制，然后在进入g() 时强制再次复制它。

来自http://cpp-next.com/archive/2009/08/want-speed-pass-by-value/

其次，我还没有找到一个编译器可以在返回函数参数时删除副本，就像我们的 sorted 实现一样。当您考虑这些省略是如何完成的时，这是有道理的：如果没有某种形式的过程间优化， sorted 的调用者无法知道最终将返回参数（而不是其他对象），因此编译器必须在堆栈上为参数和返回值分配单独的空间。