浅谈RVO与NRVO

RVO 和 NRVO

RVO（Return Value Optimization，返回值优化）和 NRVO（Named Return Value Optimization，命名返回值优化）是编译器进行的优化技术，旨在减少函数返回值的拷贝或移动操作。它们是 C++编译器在某些情况下自动应用的优化策略。

无优化

如果没有返回值优化（RVO）或命名返回值优化（NRVO），那么一个函数返回临时对象的一般步骤如下：

1. 在函数内部创建临时对象。
2. 在函数返回之前，分配内存来存储函数的返回值。
3. 将临时对象拷贝或移动到返回值的内存位置。
4. 函数返回，将返回值传递给调用方。

下面是一个示例，演示了在没有返回值优化的情况下，函数返回临时对象的步骤：

std::string createString()
{
    std::string str = "Hello, World!";
    return str;  // 返回临时对象
}

int main()
{
    std::string result = createString();  // 接收返回值的对象
    std::cout << result << std::endl;
    return 0;
}

在上面的例子中，createString函数创建了一个临时的 std::string对象 str，然后在函数返回之前，将 str拷贝或移动到返回值的内存位置。在 main函数中，返回值被拷贝构造到名为 result的对象中。

如果没有返回值优化，这个过程将涉及临时对象的构造、拷贝或移动和析构。但是，通过返回值优化，编译器可以在函数内部直接构造目标位置的对象，避免了不必要的拷贝或移动操作，从而提高了性能。

RVO

RVO 是一种编译器优化技术，它避免了从函数返回时创建临时对象。当函数返回一个临时对象（通常是由构造函数直接初始化的匿名对象）时，RVO 允许编译器省略创建和销毁临时对象的过程，而是直接在接收对象的位置构造返回值。这样可以避免不必要的拷贝开销。例如：

std::string createString()
{
    return "Hello, World!";  // 返回一个临时对象
}

在上面的例子中，RVO 允许编译器直接在函数内部构造目标位置的 std::string对象，而不是通过拷贝构造临时对象。这样可以减少不必要的拷贝开销。

• 当编译器确定可以进行 RVO 时，它会：
  1. 在调用者的栈帧上为返回值分配空间，而不是在被调用函数的栈帧上。
  2. 将返回值对象的地址传递给被调用的函数，这样被调用的函数就可以直接在该地址上构造对象。
  3. 允许函数直接在预分配的内存位置构造返回值，从而避免了额外的拷贝构造和析构调用。

NRVO

NRVO 与 RVO 类似，但适用于返回函数内部已命名的局部变量。编译器优化这个过程，允许在调用者的栈帧上直接构造局部变量，避免了将局部变量拷贝到返回值的过程。这样也可以避免不必要的拷贝开销。例如：

std::vector<int> createVector()
{
    std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};
    return v;  // NRVO将避免拷贝构造局部变量
}

在上面的例子中，NRVO 允许编译器直接在函数内部构造目标位置的 std::vector<int>对象，而不是通过拷贝构造局部变量。这样可以减少不必要的拷贝开销。

• 在应用 NRVO 时，编译器会：
  1. 识别函数中将被返回的命名局部变量。
  2. 在调用者的栈帧上为该局部变量预留空间。
  3. 直接在该空间上构造局部变量，当函数返回时不需要移动或拷贝对象。

std::move 与优化技术的冲突

在返回局部变量时使用 std::move 时，将该局部变量转换为右值。这会阻止编译器对该局部变量进行优化，因为编译器无法确定该右值是否会被修改或继续使用，因此不能在原地构造返回值。

当使用 std::move 明确地将返回的对象转换为右值时，会改变编译器对该对象生命周期的理解。这是因为 std::move 表示一个意图，即表示该对象将不再被当前作用域使用，其资源可以被“移动”到另一个对象。由于 std::move 强制将对象视为右值，编译器必须假设该对象的资源（例如动态分配的内存）可能已经或即将被外部引用（例如，被移动到另一个对象）。

在这种情况下，编译器不能安全地在调用者的上下文中直接构造返回值。这是因为编译器不能确定在构造和移动操作之间对象的状态。如果编译器选择在原地构造对象，这可能违反 std::move 的语义，因为它意味着对象资源的所有权可能仍然在函数的作用域内。为了遵守 std::move 指示的移动语义，编译器将避免在调用者的上下文中直接构造对象，而是选择显式地执行移动构造或移动赋值操作。

#include <iostream>
#include <vector>

std::vector<int> createVector()
{
    std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};
    return std::move(v);  // 使用std::move返回局部变量
}

int main()
{
    std::vector<int> result = createVector();  // 接收返回值的对象
    // 使用返回值
    return 0;
}

在上述示例中，createVector 函数返回一个局部变量 v，使用 std::move 将其转换为右值。这将阻止编译器应用命名返回值优化（NRVO），使得编译器无法直接在函数内部构造目标位置的对象。因此，编译器将执行移动操作，将临时对象移动到返回值的位置，导致不必要的移动操作。