按值传递参数的复制省略

Question

按值传递参数的复制省略

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鉴于

struct Range{
    Range(double from, double to) : from(from), to(to) {}
    double from;
    double to;
};

struct Box{
    Box(Range x, Range y) : x(x), y(y) {}
    Range x;
    Range y;
};

假设我们运行 Box box(Range(0.0,1.0),Range(0.0,2.0))。

启用优化的现代编译器是否可以在此构建过程中完全避免复制 Range 对象？（即，一开始就在 box 内部构造 Range 对象？）

- Museful

4个回答

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可以的，在特定情况下，这种复制省略上下文符合标准中 12.8/p31.3 复制和移动类对象[class.copy] 指定的复制省略标准：

(31.3) -- 当临时类对象未绑定到引用(12.2) 时，将会将它复制/移动到具有相同类型(忽略cv-qualification)的类对象，可以通过直接在省略的复制/移动目标中构造临时对象来省略复制/移动操作。

任何合适的编译器都可以在这个特定的情况下应用复制省略。然而，在 OP 示例中发生了两次复制。

传递给构造函数的临时对象（可以按照上述标准省略）。
Box 构造函数初始化列表中的复制（不能省略）。

您可以在此演示中看到它，其中复制构造函数仅被调用了2次。

还要注意，由于标准允许在特定情况下进行复制省略优化，并不意味着编译器供应商必须这样做。复制省略是唯一允许改变可观察副作用的优化形式。因此，由于某些编译器不在每个允许的情况下执行复制省略优化（例如，在调试模式下），依赖于复制/移动构造函数和析构函数的副作用的程序是不可移植的。

- 101010

3

我无法让它发生。给我一个例子会更有说服力。 - Museful

1

请问给我点踩的人可以解释一下他们点踩的原因吗？如果真的有的话... - 101010

我没有点踩，但是点踩的人可能来自于这个问题（https://dev59.com/ypHea4cB1Zd3GeqPoF7W），该问题链接到了你的回答。我想他们点踩是因为在你编辑之前，你的回答部分是不正确的（问题问的是这些副本是否可以完全省略，答案应该是否定的）。 - interjay

只是为了明确：这部分是指“在对象初始化时，当初始化表达式是与变量类型相同的同类类型（忽略cv限定符）的prvalue时”，因此自C++17以来已经得到保证。 - dragonxlwang

@dragonxlwang 是的，对于必须的情况是这样。 - 101010

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这本应该可以实现，但是我无法使其正常工作（示例）。编译器可能会检测到构造函数的副作用并决定不使用复制省略。

#include <iostream>

struct Range{
    Range(double from, double to) : from(from), to(to) { std::cout << "Range(double,double)" << std::endl; }
    Range(const Range& other) : from(other.from), to(other.to) { std::cout << "Range(const Range&)" << std::endl; }
    double from;
    double to;
};

struct Box{
    Box(Range x, Range y) : x(x), y(y) { std::cout << "Box(Range,Range)" << std::endl; }
    Box(const Box& other) : x(other.x), y(other.y) { std::cout << "Box(const Box&)" << std::endl; }
    Range x;
    Range y;
};


int main(int argc, char** argv)
{
    (void) argv;
    const Box box(Range(argc, 1.0), Range(0.0, 2.0));
    std::cout << box.x.from << std::endl;
    return 0;
}

编译和运行:

clang++ -std=c++14 -O3 -Wall -Wextra -pedantic -Werror -pthread main.cpp && ./a.out

输出：

Range(double,double)
Range(double,double)
Range(const Range&)
Range(const Range&)
Box(Range,Range)
1

- YSC

2

但你没有从拷贝构造函数中打印。 - Museful

3

这确实省略了两个拷贝构造函数，进入按值构造函数，只是没有省略从参数到 x 和 y 成员的拷贝。一个常见的模式是先按值获取，然后使用 std::move 移动到数据成员中。 - TartanLlama

2

@YSC 复制省略不关心副作用。这就是整个重点。 - juanchopanza

无论如何，如果您使用 const Range &，则可以确保没有复制。除非这不是我的代码，我无法重构它，否则我不会依赖这些优化。 - Jean-François Fabre

1

虽然它有这个能力，但并不意味着它一定会这样做。在这个演示中可以看到，很明显你正在创建两份副本。提示：输出包含两次“copy made”。

- Lorah Attkins

我认为这不是一个公平的测试。编译器必须遵循 as-if 规则并发出调用代码中放置的 cout。因此，您引入了一个条件，防止副本被省略。 - Evan Teran

3

@EvanTeran 不正确。复制省略是编译器不必遵守“as-if”规则下其他任何情况下都是强制性的副作用，可以丢弃它们的唯一情况。 - underscore_d

@underscore_d，很有趣，感谢更正。 - Evan Teran

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可以查看英文原文，
原文链接

- interjay · Accepted Answer

实际上，每个传递给构造函数的Range对象都执行了两次复制。第一次是将临时的Range对象复制到函数参数中。可以根据101010答案中给出的参考资料省略这一步骤。在特定情况下可以执行复制省略，详情请参见此处。

第二次复制是将函数参数复制到成员变量中（在构造函数初始化列表中指定）。这不能被省略，这就解释了为什么您仍然会看到每个参数只有一个副本的情况。

当复制构造函数具有副作用时（例如YSC答案中的打印操作），第一次复制仍然可以进行复制省略，但第二次复制必须保留。

然而，编译器总是可以进行更改，如果这些更改不会改变程序的观察行为（这被称为“as-if”规则）。这意味着，如果复制构造函数没有副作用，并且删除构造函数调用不会改变结果，则编译器可以自由地删除甚至是第二个复制。

您可以通过分析生成的汇编代码来查看此情况。在这个例子中，编译器甚至优化了复制和Box对象本身的构造。

Box box(Range(a,b),Range(c,d));
std::cout << box.x.from;

生成与以下代码完全相同的汇编代码：

std::cout << a;