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一段小代码秒懂C++右值引用和RVO(返回值优化)的误区

关于C++右值引用的参考文档里面有明确提到，右值引用可以延长临时变量的周期。如：

std::string&& r3 = s1 + s1; // okay: rvalue reference extends lifetime

看到这里的时候，Binfun有点崩溃，就这就能延长生命周期？这个和以下的这样的命令有啥本质的区别吗？

std::string r3 = s1 + s1

所以Binfun写了一段小代码来测试一下右值引用的延长生命周期的特性，如：

#include <stdio.h>
#include <utility>//std::move

class result {
public:
  int val;
  result() { printf("constructor() [%p]\n", this); }
  result(result& r): val(r.val) { printf("copying from [%p] to [%p]\n", &r, this); }
  result(result&& r): val(r.val) { printf("moving from [%p] to [%p]\n", &r, this); }
  result(int i): val(i) { printf("constructor(%d) [%p]\n", val, this); }
  ~result() { printf("destructor() [%p]\n", this); }
};

result process(int i)
{
  printf("In process function\n");
  return result(i);
}

int main()
{
  printf("---step1---\n");
  result s1 = process(1);
  printf("---step2---\n");
  result &&s2 = process(2);

  printf("---vals:---\n");
  printf("s1 addr:[%p], val:[%d]\n", &s1, s1.val);
  printf("s2 addr:[%p], val:[%d]\n", &s2, s2.val);
}

然后Binfun自信满满地敲了编译并执行命令：

g++ new_move.cpp -std=c++11 -O2 && ./a.out

看到打印的时候Binfun再一次崩溃了：

---step1---
In process function
constructor(1) [0x7ffd94c8aca0]
---step2---
In process function
constructor(2) [0x7ffd94c8acb0]
---vals:---
s1 addr:[0x7ffd94c8aca0], val:[1]
s2 addr:[0x7ffd94c8acb0], val:[2]
destructor() [0x7ffd94c8acb0]
destructor() [0x7ffd94c8aca0]

这……没有任何区别啊，C++国际标准委员会逗我玩呢？

RVO和右值引用

其实是有区别的，先听我解释一下RVO这个概念:返回值优化。

在调用process函数的时候竟然没有临时变量产生(可以看到构造函数只运行了一次)，那应该是被RVO了。既然是编译优化技术，那么应该有编译选项关闭，RVO优化在C++里面也叫copy_elision（复制消除）优化。使用以下命令即可取消RVO：

g++ new_move.cpp -std=c++11 -fno-elide-constructors -O2 && ./a.out

编译后打印如下：

---step1---
In process function
constructor(1) [0x7ffe849b8a70]
moving from [0x7ffe849b8a70] to [0x7ffe849b8ab0]
destructor() [0x7ffe849b8a70]
moving from [0x7ffe849b8ab0] to [0x7ffe849b8aa0]
destructor() [0x7ffe849b8ab0]
---step2---
In process function
constructor(2) [0x7ffe849b8a70]
moving from [0x7ffe849b8a70] to [0x7ffe849b8ab0]
destructor() [0x7ffe849b8a70]
---vals:---
s1 addr:[0x7ffe849b8aa0], val:[1]
s2 addr:[0x7ffe849b8ab0], val:[2]
destructor() [0x7ffe849b8ab0]
destructor() [0x7ffe849b8aa0]

可以看到在step1中调用process函数的时候，构造产生了一个变量（地址为0x7ffe849b8a70），然后函数返回时将这个变量移动构造到了另一个临时变量（地址为0x7ffe849b8ab0），接着赋值给s2（地址为0x7ffe849b8aa0）时再一次调用了移动构造函数。

之所以以上调用的都是移动构造，这是因为编译器识别出这些变量都是“将亡值”，也就是说编译器知道这个变量接下来都会离开它的作用域，即将会被析构掉，此时认定它是一个右值&&，所以也就调用的是移动构造函数。打印中也体现了这一点，0x7ffe849b8a70和0x7ffe849b8ab0被move constructor之后立马就被析构掉了。

而step2就不一样了，我们看到了移动构造函数只被调用了一次。而这一次0x7ffe849b8ab0并没有被析构掉，这一次它被保留了下来，它的生命周期被延长了，直到main函数结束时它才会析构掉。

以上可以看到右值引用的确可以延长右值变量的生命周期。当然尽管在RVO的光环下，只需要构造一次就已经到位了，就没必要去延长生命周期了-。-|||

std::move和右值引用的坑

另外Binfun进一步理解移动语义的时候，发现了一个坑，希望大家关注一下。这个坑会导致奇怪的问题发生……也会导致很隐蔽的bug……

在说这个例子的时候，我们先介绍一下std::move（懂的可以略过-。-）

文章最下面的参考链接里面的文章有一段写得特别棒，如下：

template <typename T>
typename remove_reference<T>::type&& move(T&& param)
{
    using ReturnType = typename remove_reference<T>::type&&;
    return static_cast<ReturnType>(param);
}

还是同样的result类和同样的process函数，我们修改一下main函数为：

int main()
{
  printf("---step1---\n");
  result &&s1 = std::move(process(1));
  printf("---step2---\n");
  process(2);

  printf("---vals:---\n");
  printf("s1 addr:[%p], val:[%d]\n", &s1, s1.val);
}

猜猜最后打印中s1.val的值是1还是2？

g++ new_move.cpp -std=c++11 -O2 && ./a.out

以上的编译选项的打印如下：

---step1---
In process function
constructor(1) [0x7ffdf1352db0]
destructor() [0x7ffdf1352db0]
---step2---
In process function
constructor(2) [0x7ffdf1352db0]
destructor() [0x7ffdf1352db0]
---vals:---
s1 addr:[0x7ffdf1352db0], val:[2]

而

g++ new_move.cpp -std=c++11 -fno-elide-constructors -O2 && ./a.out

以上的编译选项，打印结果如下：

---step1---
In process function
constructor(1) [0x7ffe7d59f350]
moving from [0x7ffe7d59f350] to [0x7ffe7d59f380]
destructor() [0x7ffe7d59f350]
destructor() [0x7ffe7d59f380]
---step2---
In process function
constructor(2) [0x7ffe7d59f350]
moving from [0x7ffe7d59f350] to [0x7ffe7d59f380]
destructor() [0x7ffe7d59f350]
destructor() [0x7ffe7d59f380]
---vals:---
s1 addr:[0x7ffe7d59f380], val:[2]

很可惜都是2，不管有没有RVO优化都是2。

Binfun的理解是，因为std::move的显式声明的关系，result &&s1 = 这种让右值生命值延长的方法失效了，最终s1指向的是已经被析构掉的右值地址（如上的0x7ffe7d59f380），而因为编译器优化等级的关系，编译器会重新回收并利用这个地址。所以在调用process(2)的时候会重新使用0x7ffe7d59f380这个地址。

如果编译选项的优化等级没那么高的话（以下把优化等级降为O1），会暂时避免这个问题：

g++ new_move.cpp -std=c++11 -O1 -fno-elide-constructors && ./a.out

打印如下：

---step1---
In process function
constructor(1) [0x7ffca4276e50]
moving from [0x7ffca4276e50] to [0x7ffca4276e80]
destructor() [0x7ffca4276e50]
destructor() [0x7ffca4276e80]
---step2---
In process function
constructor(2) [0x7ffca4276e50]
moving from [0x7ffca4276e50] to [0x7ffca4276e90]
destructor() [0x7ffca4276e50]
destructor() [0x7ffca4276e90]
---vals:---
s1 addr:[0x7ffca4276e80], val:[1]

可以看到以上0x7ffca4276e80虽然被析构了，但是没有那么快被重新利用起来，第二次使用的是0x7ffca4276e90，所以结果是正确的1。但是result &&s1 = std::move(process(1))这样的使用方式应该坚决不要用！

所以记住啊，这样可以：

result s1 = std::move(process(1)); //OK

这样也可以：

result &&s1 = process(1); //OK

这样不可以哦!：

result &&s1 = std::move(process(1)); //Error sometimes

参考链接

  1. https://www.cnblogs.com/tianfang/archive/2013/01/26/2878356.html
  2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/107445960
  3. https://www.yhspy.com/2019/09/01/C-编译器优化之-RVO-与-NRVO/
  4. https://zhuanlan.zhihu.com/p/54050093
  5. http://stupefydeveloper.blogspot.com/2008/10/c-rvo-and-nrvo.html
  6. https://en.cppreference.com/w/cpp/language/reference
  7. https://zh.wikipedia.org/wiki/返回值优化
  8. https://en.wikipedia.org/wiki/Copy_elision
  9. https://zh.wikipedia.org/wiki/值_(電腦科學)
  10. 极客时间专栏《现代C++实战30讲》 03 | 右值和移动究竟解决了什么问题？
12-18 17:38
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