小问题大思考之 C++ 临时对象

C++中有这样一种对象:它在代码中看不到,但是确实存在。它就是临时对象—由编译器定义的一个没有命名的非堆对象(non-heap object)。为什么研究临时对象?主要是为了提高程序的性能以及效率,因为临时对象的构造与析构对系统性能而言绝不是微小的影响,所以我们应该去了解它们,知道它们如何造成,从而尽可能去避免它们。

临时对象通常产生于以下4种情况:

  1. 类型装换
  2. 按值传递
  3. 按值返回
  4. 对象定义

下面我们逐一看看:

1、类型转换:它通常是为了让函数调用成功而产生临时对象。发生于 “传递某对象给一个函数,而其类型与它即将绑定上去的参数类型不同” 的时候。

例如:

此时,编译器会帮你进行类型转换:它产生一个类型为string的临时对象,该对象以buffer为参数调用string constructor。当test函数返回时,此临时对象会被自动销毁。

注意:对于引用(reference)参数而言,只有当对象被传递给一个reference-to-const参数时,转换才发生。如果对象传递给一个reference-to-non-const对象,不会发生转换。

例如:

此时如果编译器对reference-to-non-const对象进行了类型转换,那么将会允许临时对象的值被修改。而这和程序员的期望是不一致的。试想,在上面的代码中,如果编译器允许upper运行,将lower中的值转换为大写,但是这是对临时对象而言的,char lower[]的值还是“lower”,这和你的期望一致吗?

有时候,这种隐式类型转换不是我们期望的,那么我们可以通过声明constructor为explicit来实现。explicit告诉编译器,我们反对将constructor用于类型转换。

例如:

2、按值传递:这通常也是为了让函数调用成功而产生临时对象。当按值传递对象时,实参对形参的初始化与T formalArg = actualArg的形式等价。

例如:

此时编译器产生的伪码为:

因为存在局部参数formalArg,test()的调用栈中将存在formalArg的占位符。编译器必须复制对象actualArg的内容到formalArg的占位符中。所以,此时编译器生成了临时对象。

3、按值返回:如果函数是按值返回的,那么编译器很可能为之产生临时对象。

例如:

编译器生成的伪代码:

如果对operator+进行返回值优化(RVO:Return Value Optimization),那么临时对象将不会产生。

例如:

编译器生成的伪代码:

对照上面的版本,我们可以看出临时对象retVal消除了。

4、对象定义:

例如:

然而,实际上大多数的编译器都会通过优化省去临时对象,所以这里的初始化形式基本上在效率上都是相同的。

备注:

临时对象的生命期:按照C++标准的说法,临时对象的摧毁,是对完整表达式求值过程中的最后一个步骤。该完整表达式照成了临时对象的产生。

完整表达式通常是指包含临时对象表达式的最外围的那个。例如:

((objA >1024)&&(objB <1024) ) ? (objA – objB) :(objB-objA)

这个表达式中一共含有5个表达式,最外围的表达式是?。任何一个子表达式所产生的任何一个临时对象,都应该在完整表达式被求值完成后,才可以销毁。

临时对象的生命周期规则有2个例外:

1、在表达式被用来初始化一个object时。例如:

如果progName + progVersion产生的临时对象在表达式求值结束后就析构,那么progNameVersion就无法产生。所以,C++标准规定:含有表达式执行结果的临时对象,应该保留到object的初始化操作完成为止。

小心这种情况:

这个初始化操作是一定会失败的。编译器产生的伪码为:

2、当一个临时对象被一个reference绑定时。例如:

编译器产生的伪码为:

针对这种情况,C++标准上是这样说的:如果一个临时对象被绑定于一个reference,对象将保留,直到被初始化的reference的生命结束,或直到临时对象的生命范围结束—–看哪种情况先到达而定。

参考书籍:

1、《深度探索:C++对象模型》

2、《提高C++性能的编程技术》

3、《Effective C++》

4、《more effective C++》

5、《C++语言的设计和演化》

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