通过算术运算符重载中的临时变量最小化堆栈分配：安全返回方法答案

【问题标题】：Minimizing stack allocation by way of temporaries in arithmetic operator overloads : Safe return method通过算术运算符重载中的临时变量最小化堆栈分配：安全返回方法
【发布时间】：2020-11-27 16:44:51
【问题描述】：

我正在研究 EDDSA 数字签名的实现，并且由于计算中使用的值的大小可以高达 521 位（缩放器）并且点具有三个缩放器（投影坐标），因此通过副本传递值在条款上是昂贵的堆栈空间和参数副本。为了消除尽可能多的副本，我将参数作为“const &”传递，创建一个局部变量，执行计算并将结果放入局部变量中，然后返回局部变量。注意：代码是 C++17 (clang)。

struct Point { /* ... */ } ;

friend Point operator + (Point const & lhs , Point const & rhs)
{
  Point  res ; 

  /* Do addition and place result into 'res' */

  return res ;
}

这适用于所有可能的参数类型（&、const &、&&），但总是需要额外的堆栈空间来存储结果。如果传递了一个临时值（Point &&），它可以用来保存结果并节省堆栈空间。这里的问题是如何正确返回结果？

friend Point operator + (Point && lhs , Point const & rhs)
{
  /* Do addition and place result into 'lhs' */

  return lhs ; // Not sure what is exactly returned here : Danger of dangling reference or ok?
}

/* OR */

friend Point && operator + (Point && lhs , Point const & rhs)
{
  /* Do addition and place result into 'lhs' */

  return std::move (lhs) ; // Danger of dangling reference to caller if not used correctly
}

我了解第二种情况（返回点 &&）如果调用者未正确处理，可能会导致引用悬空。

我已阅读有关返回 && 值的类似问题和答案，但我没有找到任何特定于将 && 参数作为值返回的内容（上面的第一种情况）。

C++ 究竟如何定义第一种情况的返回值行为（当参数为 Point && 时返回 Point）？

是否有更好（即：高效且安全）的方法来消除副本和重用临时参数内存？

此外，如果重载的运算符被声明为模板，我理解 '&&' 参数的处理方式不同以支持完美转发。

template <class Point> friend Point operator + (Point && lhs , Point const & rhs)
{
  /* Do addition and place result into 'lhs' */

  return lhs ;
}

'&& 参数与非模板定义中的处理方式有何不同（如果有的话），返回结果的正确方法是什么？

【问题讨论】：

与friend 相关吗？我宁愿删除它，因为你只能在类定义中使用它，但你把它放在外面
在第一种情况下，它总是返回一个新的Point。没有悬空引用，因为它不是引用——它为返回值构造了一个新对象。
是的，朋友在我的库中是相关的，我直接在我的类中声明重载运算符，因为它们需要访问私有变量。此外，通过将它们直接放在里面，它消除了大量的“模板”限定前缀。

标签： c++ overloading rvalue

【解决方案1】：

如果您从函数中按值返回，则不必担心悬空引用，因为您正在处理值并在必要时进行复制。因此，除非您返回参考，否则您不必担心。作为参数传递的引用在调用者表达式的末尾无效，因此通过引用返回参数之一可能是安全的。

你可以这样做

Point &&operator + (Point &&lhs, Point const &rhs)
{
    // calculations modifying lhs
    // ...
    return lhs;
}

但在我看来，由于可能会出现不必要的悬空引用，因此更容易出错，因此我将专注于按值返回。我鼓励您测量性能差异，看看是否有任何差异。

当按值传递时，函数参数和返回值通常在堆栈上传递大型结构（在 windows x64 上 >8 字节，在 linux x64 上 >16 字节）。对于两者，调用者分配必要的堆栈空间。这对于了解幕后发生的事情很重要。

在第一种情况下，当您声明稍后返回的 res 值时，您可能可以依赖编译器优化，即没有为 res 分配堆栈空间，但调用者为返回值分配的空间是用过的。这类似于NRVO。 Clang does this even with -O0（在 LLVM-IR 中查找（缺少）allocas）。

考虑到这一点，无需提供可以采用右值引用的重载，因为使用 res 变量不会占用任何额外的堆栈空间。

请注意，这种优化通常只有在函数中的所有返回语句都是return ret; 时才能保证。

对于参数，避免堆栈分配的最佳方法是不按值传递，因此在调用函数时不必制作冗余副本。在这种情况下使用const & 是理想的，因为它可以接受右值和左值。

为了进一步扩展使用res 变量的“类似NRVO”的行为，让我们举这个例子：

Point create_point()
{
    Point res;
    // fill res with values
    return res;
}

int main()
{
    Point p;
    p = create_point();
}

在这个使用带有-O1 的clang 的示例中，对于p，只发生了一次堆栈分配，其余的都被省略了（参见demo）。

【讨论】：

【解决方案2】：

我会提供 2 个重载：

Point operator + (Point lhs , Point const & rhs){
    return lhs+=rhs;
};

Point&& operator + (Point const & lhs , Point&& rhs){
    return std::move(rhs+=lhs);
};

auto x=p1+p2;

并依靠复制省略（RVO，NRVO）。

问候，调频。

【讨论】：