为什么在C++中，std::tuple会破坏小尺寸结构体的调用约定优化？

Question

C++有一个小型结构体调用约定优化，编译器以与传递原始类型（例如，通过寄存器）相同的效率传递函数参数中的小型结构体。例如：

class MyInt { int n; public: MyInt(int x) : n(x){} };
void foo(int);
void foo(MyInt);
void bar1() { foo(1); }
void bar2() { foo(MyInt(1)); }

bar1()和bar2()生成的汇编代码几乎完全相同，只是分别调用了foo(int)和foo(MyInt)。具体来说，在x86_64上，它看起来像这样：

        mov     edi, 1
        jmp     foo(MyInt) ;tail-call optimization jmp instead of call ret

但是如果我们测试std::tuple，结果会不同：

void foo(std::tuple<int>);
void bar3() { foo(std::tuple<int>(1)); }

struct MyIntTuple : std::tuple<int> { using std::tuple<int>::tuple; };
void foo(MyIntTuple);
void bar4() { foo(MyIntTuple(1)); }

生成的汇编代码看起来完全不同，小型结构体（std::tuple<int>）通过指针传递：

        sub     rsp, 24
        lea     rdi, [rsp+12]
        mov     DWORD PTR [rsp+12], 1
        call    foo(std::tuple<int>)
        add     rsp, 24
        ret

我深入挖掘了一些，试图让我的整数变得更加"脏"一些（这应该接近于一个不完整的天真元组实现）：

class Empty {};
class MyDirtyInt : protected Empty, MyInt {public: using MyInt::MyInt; };
void foo(MyDirtyInt);
void bar5() { foo(MyDirtyInt(1)); }

但是调用约定优化被应用：

        mov     edi, 1
        jmp     foo(MyDirtyInt)

我尝试过GCC/Clang/MSVC，它们都显示了相同的行为。（这里是Godbolt链接）所以我猜这一定是C++标准中的某个问题？（虽然我相信C++标准没有规定任何ABI约束，对吗？）

我知道编译器应该能够优化掉这些，只要foo(std::tuple<int>)的定义是可见的，并且没有标记为noinline。但是我想知道标准或实现的哪个部分导致了这种优化的失效。 顺便说一下，如果你对我使用std::tuple的目的感兴趣，我想创建一个包装类（即强类型定义），并且不想自己声明比较运算符（在C++20之前的operator<==>），也不想麻烦使用Boost，所以我觉得std::tuple是一个很好的基类，因为里面包含了所有需要的东西。

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OP的编辑： Daniel Langr在下面的答案中指出了根本原因。请还要查看该答案下的评论。 而且，自gcc 12.1.0发布以来，已经有一年后提交的修复方案并合并到gcc中，这已经过去了将近2年的时间。

- YumeYao

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通常情况下，导致这种行为的是一个非平凡析构函数，但是 std::tuple<int> 的析构函数应该是平凡的。 - Konrad Rudolph

@KonradRudolph 无论如何，将用户定义的析构函数添加到 MyInt 中具有相同的效果：https://godbolt.org/z/s4zzcx。 - Daniel Langr

@YehezkelB。我不确定这是否是同一个情况。使用libc++，您可以通过寄存器传递参数。对我来说更像是实现质量问题。 - Daniel Langr

重复问题：返回2元组是否比std::pair效率低？，为什么std::pair比std::tuple更快？ - phuclv

https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=71301 - Marc Glisse

Answer 1

这似乎是ABI的问题。例如，Itanium C++ ABI reads：

如果参数类型对于调用而言是非平凡的，则调用者必须为临时变量分配空间，并通过引用传递该临时变量。

此外,：

如果一个类型具有非平凡的复制构造函数、移动构造函数或析构函数，或其所有复制和移动构造函数都已删除，则认为该类型对于调用而言是非平凡的。

相同的要求在AMD64 ABI Draft 1.0中。

例如，在libstdc ++中， std :: tuple 具有非平凡的移动构造函数：https://godbolt.org/z/4j8vds。标准规定复制和移动构造函数都为默认值，在这里得到满足。但是，同时，tuple继承自 _Tuple_impl ，并且 _Tuple_impl 具有用户定义的移动构造函数。因此， tuple 本身的移动构造函数不能是平凡的。

相反，在libc ++中， std :: tuple <int> 的复制和移动构造函数都是平凡的。因此，在那里将参数传递到寄存器中：https://godbolt.org/z/WcTjM9。

关于Microsoft STL，std::tuple<int>既不是可复制的也不是可移动的。它甚至似乎违反了C++标准规则。 std::tuple被递归定义，在递归结束时，std::tuple<>特化定义了非默认复制构造函数。有关此问题的注释如下：// TRANSITION, ABI: should be defaulted。由于tuple<>没有移动构造函数，因此tuple<class...>的复制和移动构造函数都是非平凡的。

- Daniel Langr

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那么 libstdc++ 在这里不符合标准吗？[惊讶] - underscore_d

@DanielLangr 哦，你是说 std::tuple 类中的那些构造函数确实是默认的，但不是在它的基类中。我的错误。 - Maxim Egorushkin

@MaximEgorushkin，我重新表述了答案中的解释，希望在这种情况下更清晰 :)。 - Daniel Langr

似乎已经有相关的补丁被提出，但由于破坏了关于调用规约的向后兼容性而未被接受。 - Daniel Langr

ABI稳定性原教旨主义者再次破坏了C++。 :-( - Konrad Rudolph

Answer 2

根据 @StoryTeller 的建议，这可能与在 std::tuple 内部定义的用户自定义移动构造函数有关，从而导致了这种行为。

例如：请参见：https://godbolt.org/z/3M9KWo 定义用户自定义移动构造函数会导致未优化的汇编代码。

bar_my_tuple():
        sub     rsp, 24
        lea     rdi, [rsp+12]
        mov     DWORD PTR [rsp+12], 1
        call    foo(MyTuple<int>)
        add     rsp, 24
        ret

例如，在libcxx中，对于tuple_leaf和tuple，复制和移动构造函数都被声明为默认值，对于std::tuple<int>，您可以获得小型结构体调用约定优化，但对于持有非平凡可移动成员的std::tuple<std::string>自身就变得非平凡地可移动了，并且不能进行优化。请参见这里和这里的代码以及在这里和这里的示例。

- Amir Kirsh

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你需要告诉编译器使用libc++：https://godbolt.org/z/WcTjM9。默认情况下，Compiler Explorer上的clang使用libstdc++。 - Daniel Langr

@DanielLangr 嘿，太棒了！实际上，对于libc++，std::tuple<int>是可移动构造的，因此它具有小型结构体调用约定优化！ - Amir Kirsh