在 C++ 复制省略期间如何管理内存？答案

【问题标题】：How is memory managed during C++ copy elision?在 C++ 复制省略期间如何管理内存？
【发布时间】：2020-08-24 00:14:48
【问题描述】：

#include <iostream>

using namespace std;

class A
{
public :
    A()
    {
        cout<<"constructor is called"<<endl;
    }
    
    ~A()
    {
        cout<<"destructor is called"<<endl;
    }
    
    A(const A &s)
    {
        cout<<"copy constructor is called"<<endl;
    }
};

A beta()
{
    A a;
    cout<<"mem location a : "<<&a<<endl;
    return a;
}

int main(int argc, char** argv) {
    A b = beta();
    cout<<"mem location b : "<<&b<<endl;
    return 0;
}

上述程序产生以下输出：

constructor is called
mem location a : 0x7ffc12bdaf77
mem location b : 0x7ffc12bdaf77
destructor is called

据我了解，由于复制省略或返回值优化，只创建了一个 A 实例，而不是 A a 和 A b 的 2 个实例。但是从内存的角度看上面的程序，object a 在函数 beta 的栈激活记录或栈空间内，内存位置为 0x7ffc12bdaf77。当它从 beta 返回时，复制省略使对象 b 与对象 a 相同，而不是复制它。所以，现在 b 也有地址 0x7ffc12bdaf77 。我无法理解 if b 仍然是函数 main 的本地并且存在于它的堆栈空间中，它怎么会占用 main 的堆栈空间之外的内存？

【问题讨论】：

标签： c++ c++11 copy-elision

【解决方案1】：

考虑这一行：A b = beta();。编译器是如何实现的？

好吧，beta 是其他一些功能。而beta 的返回值是A。所以有两种可能的方法来实现这一点。编译器可以让beta 为其A 返回值分配堆栈空间，但这可能是有问题的，因为调用者需要使用该返回值。因此，编译器让 调用者 为返回值分配堆栈空间。毕竟，调用者确实知道返回值的大小/对齐方式，因此它拥有分配该空间所需的一切。

所以让我们选择后者。这意味着当编译器调用beta 时，它会传入beta 的返回值所在的地址。但这也意味着编译器对于beta 的这个特定调用可以只给beta 的返回值提供与给b 相同的地址。

因此，我们已经将函数返回值的副本删除到b。

所以当编译器去编译beta时，它知道调用者会给它一个指向返回值应该去哪里的指针。所以return a; 语句在语义上从a 变量复制到这个返回值对象中。

但是，编译器可以看到整个beta。并且可以看到a 变量是一个局部变量，它会在所有控制路径上返回。因此，编译器可以将a 放入调用者为返回值提供的内存中，而不是给a 一个单独的堆栈地址。

同样，我们已经从a 中删除了一个副本到返回值中。

【讨论】：

【解决方案2】：

在 microsoft x64 调用约定中，隐藏指针将作为beta 的第一个参数添加。该指针包含b 的地址，它将位于main 的堆栈帧上。该指针将用于立即在main 的堆栈帧上同时创建a 和b。所以换句话说，a 不存在于beta 的堆栈帧上；从内存的角度来看，a 和 b 是等价的。

【讨论】：

这让我很吃惊。只能看到函数的声明的编译器如何知道这个隐藏指针？还是总是有一个指针传递给 optional 填充复制省略的返回值？
@AsteroidsWithWings：因为这是编译器编译返回值的函数的方式（或者更确切地说是一个太大或太复杂而无法放入寄存器的值）。它是调用约定的一部分，完全由函数的声明决定。
@NicolBolas 好的，所以这是 ABI 在所有情况下如何实现返回值的内置特性？说得通。我很困惑，因为在 C++17 之前，NRVO 是一种“优化”，因此您通常需要函数定义来知道它是否可以完成（即使那样，它“可能”还没有完成） .但是，经过进一步思考，我想一般来说没有其他方法可以实现这一点吗？正是因为这个原因。 :D
然后我突然想到 C++17“保证省略”规则要求这种情况，因此每个 C++ ABI 都必须以这种方式工作，而不仅仅是 MS 的 x64 调用约定？（因为我不知道任何主流游戏形式上 C++17 的 ABI 损坏）
@AsteroidsWithWings：请记住，根据 C++，有两个副本：从返回到返回值对象的副本，以及从返回值对象到的副本接收端的堆栈变量。函数的实现可以省略一个，接收者可以省略另一个。如果两者都被省略，则完全省略。

【解决方案3】：

据我了解，只创建了一个 A 实例，而不是 2 个

正确。

它怎么会占用 main 堆栈空间之外的内存？

没有。

返回值只是在main调用的栈帧中创建。

【讨论】：