C/C++编程：程序转换语义学

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2022-10-21 11:53 152阅读 0赞

对于：

X foo(){
        
    	X xx;
    	return xx;
    }

可能有这样的假设：

*  每次foo()被调用，就传回xx的值
 *  如果类X定义了一个拷贝构造函数，那么当foo()被调用时，该拷贝构造函数也会被调用

那这两个假设对不对呢，下面我们来研究一下

# 显示初始化操作(explicit initialization) #

已知有这样的定义：

X x0;
    
    // 显示的以x0来初始化其类对象
    void foo_bar(){
        
    	X x1(x0); 
    	X x2 = x1;
    	X x3 = X(x0);
    }

对于x1，x2，x3的定义，必要的程序转换有两个阶段：

*  重写每一个定义，其中的初始化操作会被剥除
 *  类的**拷贝构造函数**调用操作会被安插进去

在明确的双阶段转换之后，foor\_bar()可能是这样：

void foo_var(){
        
    	X x1; // 重新定义，剥除初始化操作
    	X x2;
    	X x3;
    
        // 编译器安插X拷贝构造函数的调用操作
        x1.X::X(x0);  //  相当于调用X::X(const X& xx)
        x2.X::X(x0);
        x3.X::X(x0);
    }

# 参数初始化(Argument Initialization) #

C++标准提出：把一个**类对象**当作传递给一个函数或者作为一个函数的返回值，相当于以下形式的初始化操作：

X xx = arg;

因此，对于函数：

void foo(X x0);

的调用：

X xx;
     foo(xx);

将会要求**局部实体**x0以`memberwise`的方式将xx当作初值。

编译器的第1种实现方式是：

*  导入一个临时对象，并调用拷贝构造函数将它初始化，然后将该临时对象交给函数：

// 编译器产生的临时对象
    X __temp0
    // 编译器对拷贝构造函数的调用
    __temp0.X::X(xx);
    // 改写函数调用操作，以便使用上面的临时对象
    foo(__temp0);

*  然而这样的转换只做了一半功夫而已。残留问题是foo的声明：临时对象先以类X的拷贝构造函数正确的设定了初值，然后再以bitwise方式拷贝到x0这个局部实体中。但是此时foo()的声明也因此必须被转化，形式参数从原来的类X对象转化为一个类X引用：

void foo(X & x0);

*  其中类X声明了一个**析构函数**，它会在foo()函数完成之后被调用，以析构临时对象

编译器的第2种实现方式是：

*  以拷贝构造的方式将实参直接构建在其应该的位置上，该位置视函数活动范围的不同记录于程序堆栈总。
 *  在函数返回之前，局部对象(local object)的析构函数(如果有定义的话)会被调用

# 返回值初始化(Return Value Initialization) #

对于：

X bar(){
        
    	X xx;
    	// ...
    	return xx;
    }

问：bar()的返回值是怎么从局部对象xx中拷贝过来的？

答：双阶段转化

*  先加上一个额外参数，类型是**类对象**的一个**引用**，这个参数将用来放置被**拷贝构造**出来的返回值
 *  在return指令之前安插一个**拷贝构造函数**的调用操作，以便将想传回的对象的内容当作上面新增参数的初值。

问：真正的返回值是什么？  
答：最后一个转化操作会改写函数，使它不传回任何值。根据这样的算法，bar()转换如下：

void bar(X & __result){
         // 加上一个额外参数
    	X xx;
    	//编译器产生的默认构造函数调用操作
    	xx.X::X();
    	// ... 处理xx
    	//编译器所产生的拷贝构造函数调用操作
    	__result.X::XX(xx);
    	return;
    }

也就是说，对于：

X xx = bar();

将被转换成：

X xx;
    bar(xx);

对于：

bar().memfunc();

将被转换成：

// 编译器产生的临时对象
    X __temp0;
    
    (bar(__temp0), __temp0).memfunc();

对于函数指针：

X (*pf)();
    pf = bar;

将被转换成：

void (*pf)(X&)
    pf = bar;

# 在用户层次做优化 #

对于一个类似Bar()这样的函数，定义一个“计算用”的构造函数。也就是说，程序员不再编写：

X bar(const T &y, const T &z){
        
    	X xx;
    	// ... 以y和z来处理xx
    	return xx;
    }

这会要求xx被“memberwise”地被拷贝到编译器所产生的\_\_result中：  
程序员应该定义一个构造函数，直接计算xx的值：

X bar(const T &y, const T &z){
        
    	return X(y, z);
    }

这样效率比较高：

void bar(X & __result, const T &y, const T &z){
        
    	__result.X::X(y, z);
    	return;
    }

\_\_result被直接计算出来，而不是由拷贝构造函数拷贝得到。**不过这种方法用的不多**。

# 在编译器层面做优化 #

X bar(){
        
    	X xx;
    	// ...
    	return xx;
    }

在一个类似bar()这样的函数中，所有return指令返回相同的具名值(named value)xx，因此编译器可能自己优化，方法是采用\_result参数取代name return value

void bar(X __result){
        
    	__result.X::X();
    	
    	return;
    }

这种优化技术也被称为NRV（named return value）优化

# 拷贝构造函数：要还是不要 #

对于：

class Point3d{
        
    public:
    	Point3d(float x, float y, float z);
    private:
    	float _x, _y, _z
    }

这个类的设计者应该提供一些**显式拷贝构造函数**吗？

上面类的**默认拷贝构造函数**是trivial。他既没有任何的member(/base) class objects带有**拷贝构造函数**，也没有任何的**虚基类**或者**虚函数**。所以，默认情况下，一个Point3d类对象的`memberwise`初始化操作会导致`bitwise copy`。这样效率很高，但安全吗？

*  答案是yes。三个坐标成员是以数值来存储。`bitwise copy`既不会导致**内存泄漏**(memory leak)，也不会产生address aliasing。因此它既快速又安全

> address aliasing：同一地址可以直接或者间接的通过两个或者多个不同名字进行访问，这就是地址别名机制。

那么类的设计者应该提供一个**显式拷贝构造函数**吗？

*  答案是no，没有任何理由要你提供一个拷贝构造函数实体，因为编译器自动为你实施了最好的行为

那么如果你预见了这种类将需要**大量的memberwise初始化操作**(比如以传值方式返回对象)呢？

*  答案是yes，前提是使用的编译器提供NRV优化

加入，Point3d支持下面一组函数：

Point3d operator+(const Point3d&, const Point3d&);
    Point3d operator-(const Point3d&, const Point3d&);
    Point3d operator*(const Point3d&, int);

所有的这些函数都能良好的符号NRV模板：

{
        
    	Point result;
    	// ... 计算result
    	return result;
    }

实现拷贝构造函数的最简单方法是这样：

Point3d::Point3d(const Point3d &rhs){
        
    	_x = rhs._x;
    	_y = rhs._y;
    	_z = rhs._z;
    }

上面是可以的，但是使用C++库的memcpy会更有效率：

Point3d::Point3d(const Point3d & rhs){
        
    	memcpy(this, &rhs, sizeof(Point3d));
    }

但是不管是memcpy还是memset，都只有在**类不含任何由编译器产生的内部成员**是才能有效运行。如果Point3d类声明一个或者一个以上的虚函数，或者内含有一个虚基类，那么使用上诉函数将会导致那些**被编译器产生的内部成员**的初值被改写。看个例子：

class Shape{
        
    public:
    	// 这会改变内部的vptr
    	Shape(){
         memset(this, 0, sizeof(Shape));}
    	virtual !Shape();  
    };

编译器为此构造函数扩张的内容是：

// 扩张后的构造函数
    Shape::Shape(){
        
    	// vptr必须在用户代码执行之前先设定妥当
    	__vptr__shape = __vptr__shape ;
    	// memset会将vptr清0
    	 memset(this, 0, sizeof(Shape));
    }

# 总结 #

*  构造函数的使用，将迫使编译器多多少少的对用户代码做部分转化。尤其是当一个函数以**传值**方式返回一个类对象，而该类有一个**拷贝构造函数**(不管是明确定义的还是合成的)，这将导致程序转换----不论在函数的定义还是使用上
 *  此外编译器也将**拷贝构造函数**的调用操作优化，以一个额外的第一参数(数值被直接存在其中)取代NRV。