C++对象模型（三）：Program Transformation Semantics （程序转换语义学）

本文是Inside The C++ Object Model Chapter 2 部分的读书笔记。是讨论编译器调用拷贝构造函数时的策略(如何优化以提高效率),侯捷称之为"程序转化的语义学"

或者说是是关于编译器对于程序是如何进行有效转化或者说翻译，以实现C++的语法机制。主要来说有以下几种Semantics：

1） 明确的初始化操作(Explicit Initialization)

比如定义： X x0;

那么以下定义： X x1(x0); X x2 = x0; X x3 = X(x0); 都会被转化成： X x1,x2,x3; 在这里编译器并不会做这三个object的初始化，而是调用copy constructor进行初始化：

x1.X::X(x0); x2.X::X(x0); x3.X::X(x0);

2) 参数初始化(Argument Initialization)

C++ Standard （ Section 8.5）说，把一个class  object 当做参数传递给一个函数或者把它作为一个函数的返回值时，相当于以下形式的初始化操作：

X xx = arg;其中xx是形式参数或者返回值，arg代表真正的参数值，因此类似于void foo(X x0);这种调用，将会使得local instance x0以memberwise的形式以实际参数为初始值进行初始化。

一般来说，编译器有两种做法：

a) introduce a temporary object

还是以上文的函数声明 void foo(X x0);

调用进入后，1、编译器生成一个temporary object：X _temp;

2、以实际参数xx 拷贝构造 这个temporary object：_temp.X::X(xx);

3、重新改写函数调用操作，foo(_temp);

4、最重要的一点就是修改参数调用方式为引用，否则如何工作又回到原点啦。。。void foo(X &x0);

b） 将参数直接以copy constructor建构到函数的堆栈上，这样也会有一个local object生成；当然在函数返回时该local object也会被destructed。

3） 返回值的初始化(Return Value Initialization)

当返回值是object时，这个object是如何返回的呢？cfront使用的是一个双阶段转化：

a） 首先加上一个额外的参数，是class object的reference，这个参数将放置通过copy constructor得来的返回值

b）在return之前安插一个copy constructor，以便将欲传回之的object当做上述新增参数的处置。

例如：X bar() { X xx; return xx;} 会被转化为：

void bar(X & _res)      //这里安插了临时引用参数

{

X xx;

xx.X::X();

_res.X::X(xx);              //这里安插了临时引用的拷贝构造函数

return;

}

现在编译器必须转化每个bar调用，以反映其新定义。例如X xx = bar(); ===> X xx; bar( xx );

而相应的 bar().memfunc(); //执行bar()所返回之X class object的member function

会被编译器转化为：

X temp0;

(bar(temp0),temp0).memfunc();

在返回值优化上，Optimization at the User Level or Optimization at the Compiler Level。在User Level， 设计者需要创建不同的constructor，这样object直接通过计算，而不需要copy constructor。这样做如果在非常注重效率的场合可能比较有意义，但是缺乏抽象。

在Compiler Level，现在广为认知的就是 Name Return Value（NRV）Optimization：

void bar(X & _res)      //这里安插了临时引用参数

{

_res.X::X();

//直接操作_res

return;

}

也就是说，NRVO 省略了一次copy constructor的调用。但是如果copy constructor有side-effect的话，那么这个优化就会有问题。

书中提到，如果某个class 会有大量的object return value的情况，那么需要为该class define copy constructor，以触发NRV（或者叫RVO， Return Value Optimization）。但是，黄俊达先生认为：Lippman 在 p67 最後一行所言『这个程式的第一个版本不能实施 NRV 最佳化，因为 test class 缺少一个 copy constructor』，

此语错误。黄先生认为如果程式没有 explicit copy constructor，编译器会自动为我们做出来（如为 trivial，则直接 bitwise copy；如为 nontrivial，则由编译器为我们合成出一个 copy constructor）。因此，有没有 explicit copy constructor 并不影响 NRV 最佳化的实施。他认为 NRV 最佳化主要是 由编译器 option 来决定要不要实施。他并且做了一些实验，判断 VC 和 gcc 都没有做到 NRV 最佳化，而其不做的理由不是因为技术上的困难，是为了避免造成「user defined copy constructor 之副作用失效」-- 所谓副作用

是指，例如「在 user defined copy constructor 中做一个 cout 输出」之类这种「与 memberwise copy 无关」的动作。

NRV优化还是很重要，比如下面的代码，如果没有NRV将会有三次copy 构造，二次析构：

        Type get(int I) { return Type(i); } Type t = get(1);

甚至有人认为user defined copy constructor会阻止NRV的优化。更多讨论可以参见：关于编译器对拷贝构造函数优化的问题再讨论