在 C++11 中返回局部值的最佳方法

Question

在过去，如果我想要一个对象A 的字符串表示，我会写一些带有签名void to_string(const A& a, string& out) 的东西以避免额外的副本。这仍然是 C++11 中的最佳实践，包括移动语义和所有内容吗？

我在其他上下文中阅读了一些建议依赖 RVO 而不是写 string to_string(const A& a) 的 cmets。但 RVO 不保证会发生！那么，作为 to_string 的程序员，我如何保证字符串不会被不必要地复制（独立于编译器）？

Answer 1

这是我从反馈和其他资源中收集到的答案：

简单的按值返回是成语，因为：

• 在实践中，复制/移动省略大部分时间都会发生；
• move ctor 将用于回退；
• 防止不太可能发生的副本实际发生不值得编写可读性较差的代码
• 传入引用要求对象已经创建
  • 并不总是可行的（例如，可能没有默认的 ctor）并且
  • 如果问题是性能，还必须考虑一次初始化过多

但是，如果预计典型用法类似于

std::string s;
while (i_need_to)
{
    to_string(get_A(), s);
    process(s);
    update(i_need_to);
}

并且如果所讨论的类型具有默认构造函数*，那么传递应该通过引用保存返回的对象可能仍然有意义。

*此处仅考虑字符串作为示例，但问题和答案可以概括

Answer 2

在过去（1970-1980 年），您几乎可以通过计算浮点除数来预测算法的性能。

今天不再是这样。但是，您可以使用类似的规则来估计今天的性能：

计算到堆的次数：new/malloc 和 delete/free。

给定：

std::string
to_string(const A& a)
{
    std::string s;
    // fill it up
    return s;
}

std::string s = test();

假设您没有将 s 内部重新分配给 to_string()，我算了 1 个新的。当您将数据放入s 时，就完成了这一分配。我知道std::string 有一个快速（无分配）移动构造函数。因此，RVO 是否发生与估计to_string() 的性能无关。在to_string() 之外创建s 将有1 个分配。

现在考虑：

void
to_string(const A& a, string& out)
{
    out = ...
}

std::string s;
to_string(a, s);

正如我所写，它仍然消耗 1 个内存分配。所以这与按值返回版本的速度差不多。

现在考虑一个新的用例：

while (i_need_to)
{
    std::string s = to_string(get_A());
    process(s);
    update(i_need_to);
}

根据我们之前的分析，上面将在每次迭代中进行 1 次分配。现在考虑一下：

std::string s;
while (i_need_to)
{
    to_string(get_A(), s);
    process(s);
    update(i_need_to);
}

我知道string 有capacity()，并且该容量可以在上述循环中的许多用途中回收。最坏的情况是每次迭代我仍然有 1 个分配。最好的情况是第一次迭代将创建足够大的容量以处理所有其他迭代，并且整个循环将只执行 1 次分配。

真相可能介于最坏和最好的情况之间。

最好的 API 取决于您认为您的函数最有可能出现的用例。

计算分配以估计性能。然后测量你编码的内容。在std::string 的情况下，可能会有一个短字符串缓冲区可能会影响您的决定。对于 libc++，在 64 位平台上，std::string 在访问堆之前将存储多达 22 个 char（加上终止的 null）。

Answer 3

假设你的函数中的代码是这样的：

std::string data = ...;
//do some processing.
return data;

如果省略不可用，则需要调用std::string 的移动构造函数。所以最坏的情况是，你可以从你的内部字符串中转移出来。

如果您负担不起移动操作的费用，则必须将其作为参考传递。

话虽如此...您是否担心编译器无法内联短函数？您是否担心小型包装器是否无法正确优化？编译器不优化 for 循环等的可能性是否困扰您？有没有想过if(x < y)是否比if(x - y < 0)快？

如果不是...那您为什么要关心复制/移动省略（“返回值优化”的技术术语，因为它在更多地方使用）？如果您使用的编译器不支持复制省略，那么您使用的编译器可能无法支持大量其他优化。出于性能考虑，您最好花时间升级编译器，而不是将返回值转换为引用。

防止复制的不太可能的情况实际发生是不值得的......麻烦？可读性较差的代码？究竟是什么？除了简单的回报，还有什么额外的东西？

“额外的东西”是这样的：

std::string aString = to_string(a);

比这更具可读性：

std::string aString;
to_string(a, aString);

在第一种情况下，to_string 很明显立即正在初始化一个字符串。在第二个中，它不是；您必须查看 to_string 的签名以查看它是否使用了 非const 引用。

第一种情况甚至不是“惯用的”；这就是每个人通常会这样写的方式。你永远不会看到to_int(a, someInt) 调用整数；这是荒谬的。为什么整数创建和对象创建如此不同？作为程序员，您不应该必须关心是否为返回值或某事发生了太多的副本。您只需以简单、明显且易于理解的方式做事即可。