c++ - 构造函数的最佳形式？传值还是传引用？

Question

我想知道我的构造函数的最佳形式。下面是一些示例代码:

class Y { ... }

class X
{
public:
  X(const Y& y) : m_y(y) {} // (a)
  X(Y y) : m_y(y) {} // (b)
  X(Y&& y) : m_y(std::forward<Y>(y)) {} // (c)

  Y m_y;
}

Y f() { return ... }

int main()
{
  Y y = f();
  X x1(y); // (1)
  X x2(f()); // (2)
}

据我所知，这是编译器在每种情况下都能做到的最好的。

(1a) y 被复制到 x1.m_y (1 copy)

(1b) y被拷贝到X的构造函数的参数中，然后拷贝到x1.m_y中(2份)

(1c) y 移入 x1.m_y (1 move)

(2a) f() 的结果被复制到 x2.m_y (1 copy)

(2b) f() 被构造到构造函数的实参中，然后复制到x2.m_y (1 copy)

(2c) f()在栈上创建，然后移入x2.m_y(1移动)

现在有几个问题:

在这两个方面，const 引用传递并不差，有时比值传递更好。这似乎与 "Want Speed? Pass by Value." 上的讨论背道而驰。 .对于 C++(不是 C++0x)，对于这些构造函数，我应该坚持通过 const 引用传递，还是应该通过值传递？而对于 C++0x，我应该通过右值引用传递而不是通过值传递吗？

对于(2)，我更喜欢将临时文件直接构建到 x.m_y 中。我认为即使是右值版本也需要移动，除非对象分配动态内存，否则与拷贝一样多。有没有办法对此进行编码，以便允许编译器避免这些拷贝和移动？

我在我认为编译器可以做得最好的方面和我的问题本身中做了很多假设。如果它们不正确，请更正其中任何一个。

Answer 1

我已经拼凑了一些例子。我在所有这些中都使用了 GCC 4.4.4。

简单案例，不带 -std=c++0x
首先，我将一个非常简单的示例放在一起，其中包含两个接受 std::string 的类。每个。

#include <string>
#include <iostream>

struct A /* construct by reference */
  {
    std::string s_;

    A (std::string const &s) : s_ (s)
      {
        std::cout << "A::<constructor>" << std::endl;
      }
    A (A const &a) : s_ (a.s_)
      {
        std::cout << "A::<copy constructor>" << std::endl;
      }
    ~A ()
      {
        std::cout << "A::<destructor>" << std::endl;
      }
  };

struct B /* construct by value */
  {
    std::string s_;

    B (std::string s) : s_ (s)
      {
        std::cout << "B::<constructor>" << std::endl;
      }
    B (B const &b) : s_ (b.s_)
      {
        std::cout << "B::<copy constructor>" << std::endl;
      }
    ~B ()
      {
        std::cout << "B::<destructor>" << std::endl;
      }
  };

static A f () { return A ("string"); }
static A f2 () { A a ("string"); a.s_ = "abc"; return a; }
static B g () { return B ("string"); }
static B g2 () { B b ("string"); b.s_ = "abc"; return b; }

int main ()
  {
    A a (f ());
    A a2 (f2 ());
    B b (g ());
    B b2 (g2 ());

    return 0;
  }

该程序在 stdout 上的输出如下:

A::<constructor>
A::<constructor>
B::<constructor>
B::<constructor>
B::<destructor>
B::<destructor>
A::<destructor>
A::<destructor>

结论

GCC 能够优化每个临时 A或 B离开。
这与 C++ FAQ一致.基本上，GCC 可能(并且愿意)生成构造 a, a2, b, b2 的代码。就地，即使调用了一个看似按值返回的函数。从而 GCC 可以避免许多可能通过查看代码而“推断”出存在的临时变量。

接下来我们想看到的是 std::string 的频率在上面的例子中实际上是复制的。让我们替换 std::string用一些我们可以更好地观察和看到的东西。

真实案例，无 -std=c++0x

#include <string>
#include <iostream>

struct S
  {
    std::string s_;

    S (std::string const &s) : s_ (s)
      {
        std::cout << "  S::<constructor>" << std::endl;
      }
    S (S const &s) : s_ (s.s_)
      {
        std::cout << "  S::<copy constructor>" << std::endl;
      }
    ~S ()
      {
        std::cout << "  S::<destructor>" << std::endl;
      }
  };

struct A /* construct by reference */
  {
    S s_;

    A (S const &s) : s_ (s) /* expecting one copy here */
      {
        std::cout << "A::<constructor>" << std::endl;
      }
    A (A const &a) : s_ (a.s_)
      {
        std::cout << "A::<copy constructor>" << std::endl;
      }
    ~A ()
      {
        std::cout << "A::<destructor>" << std::endl;
      }
  };

struct B /* construct by value */
  {
    S s_;

    B (S s) : s_ (s) /* expecting two copies here */
      {
        std::cout << "B::<constructor>" << std::endl;
      }
    B (B const &b) : s_ (b.s_)
      {
        std::cout << "B::<copy constructor>" << std::endl;
      }
    ~B ()
      {
        std::cout << "B::<destructor>" << std::endl;
      }
  };

/* expecting a total of one copy of S here */
static A f () { S s ("string"); return A (s); }

/* expecting a total of one copy of S here */
static A f2 () { S s ("string"); s.s_ = "abc"; A a (s); a.s_.s_ = "a"; return a; }

/* expecting a total of two copies of S here */
static B g () { S s ("string"); return B (s); }

/* expecting a total of two copies of S here */
static B g2 () { S s ("string"); s.s_ = "abc"; B b (s); b.s_.s_ = "b"; return b; }

int main ()
  {
    A a (f ());
    std::cout << "" << std::endl;
    A a2 (f2 ());
    std::cout << "" << std::endl;
    B b (g ());
    std::cout << "" << std::endl;
    B b2 (g2 ());
    std::cout << "" << std::endl;

    return 0;
  }

不幸的是，输出符合预期:

  S::<constructor>
  S::<copy constructor>
A::<constructor>
  S::<destructor>

  S::<constructor>
  S::<copy constructor>
A::<constructor>
  S::<destructor>

  S::<constructor>
  S::<copy constructor>
  S::<copy constructor>
B::<constructor>
  S::<destructor>
  S::<destructor>

  S::<constructor>
  S::<copy constructor>
  S::<copy constructor>
B::<constructor>
  S::<destructor>
  S::<destructor>

B::<destructor>
  S::<destructor>
B::<destructor>
  S::<destructor>
A::<destructor>
  S::<destructor>
A::<destructor>
  S::<destructor>

结论

GCC 无法优化掉临时 S创建者 B的构造函数。使用 S 的默认复制构造函数没有改变这一点。换 f, g成为

static A f () { return A (S ("string")); } // still one copy
static B g () { return B (S ("string")); } // reduced to one copy!

确实有所示的效果。似乎 GCC 愿意为 B 构造参数。的构造函数就位但犹豫要不要构造 B的成员就位。
请注意，仍然没有临时 A或 B被创建。这意味着 a, a2, b, b2仍在原地 build 。凉爽的。

现在让我们研究新的移动语义如何影响第二个示例。

真实案例，附 -std=c++0x
考虑将以下构造函数添加到 S

    S (S &&s) : s_ ()
      {
        std::swap (s_, s.s_);
        std::cout << "  S::<move constructor>" << std::endl;
      }

和改变 B的构造函数

    B (S &&s) : s_ (std::move (s)) /* how many copies?? */
      {
        std::cout << "B::<constructor>" << std::endl;
      }

我们得到这个输出

  S::<constructor>
  S::<copy constructor>
A::<constructor>
  S::<destructor>

  S::<constructor>
  S::<copy constructor>
A::<constructor>
  S::<destructor>

  S::<constructor>
  S::<move constructor>
B::<constructor>
  S::<destructor>

  S::<constructor>
  S::<move constructor>
B::<constructor>
  S::<destructor>

B::<destructor>
  S::<destructor>
B::<destructor>
  S::<destructor>
A::<destructor>
  S::<destructor>
A::<destructor>
  S::<destructor>

因此，我们能够通过使用右值传递将四个拷贝替换为两次移动。

但我们实际上构建了一个损坏的程序。

召回 g, g2

static B g ()  { S s ("string"); return B (s); }
static B g2 () { S s ("string"); s.s_ = "abc"; B b (s); /* s is zombie now */ b.s_.s_ = "b"; return b; }

标记的位置显示了问题。对非临时对象进行了移动。那是因为右值引用的行为类似于左值引用，只是它们也可能绑定(bind)到临时对象。所以我们一定不要忘记重载 B的构造函数带有一个接受常量左值引用的构造函数。

    B (S const &s) : s_ (s)
      {
        std::cout << "B::<constructor2>" << std::endl;
      }

然后您会注意到 g, g2导致“constructor2”被调用，因为符号 s在任何一种情况下，都更适合 const 引用而不是右值引用。
我们可以说服编译器在 g 中做一个 Action 以两种方式之一:

static B g ()  { return B (S ("string")); }
static B g ()  { S s ("string"); return B (std::move (s)); }

结论

按值返回。该代码将比“填写我给你的引用”代码更具可读性，并且速度更快，甚至可能更安全。

考虑更换 f到

static void f (A &result) { A tmp; /* ... */ result = tmp; } /* or */
static void f (A &result) { /* ... */ result = A (S ("string")); }

那将满足 strong guarantee仅当 A的任务提供了它。复制到 result不能跳过，也不能 tmp代替 result build , 自 result没有被 build 。因此，它比以前慢，不需要复制。 C++0x 编译器和移动赋值运算符会减少开销，但它仍然比按值返回慢。

按值(value)返回更容易提供强有力的保证。对象就地构建。如果其中一部分发生故障而其他部分已经构建，则正常展开将清理并且只要 S的构造函数对自身成员履行基本保证，对全局项履行强保证，整个按值返回的过程实际上提供了强有力的保证。

如果您无论如何要复制(到堆栈上)，请始终按值传递

如 Want speed? Pass by value. 中所述.编译器可能会生成代码，如果可能的话，就地构造调用者的参数，消除复制，当您通过引用获取然后手动复制时，它无法做到这一点。主要例子:
做 不是 写这个(取自引用的文章)

T& T::operator=(T const& x) // x is a reference to the source
{ 
    T tmp(x);          // copy construction of tmp does the hard work
    swap(*this, tmp);  // trade our resources for tmp's
    return *this;      // our (old) resources get destroyed with tmp 
}

但总是喜欢这个

T& T::operator=(T x)    // x is a copy of the source; hard work already done
{
    swap(*this, x);  // trade our resources for x's
    return *this;    // our (old) resources get destroyed with x
}

如果要复制到非堆栈帧位置，请通过 C++0x 之前的 const 引用并另外通过 C++0x 之后的右值引用

我们已经看到了这一点。当就地构造不可能时，通过引用传递比通过值传递导致更少的拷贝发生。而 C++0x 的移动语义可能会用更少和更便宜的移动来代替许多拷贝。但请记住，移动会使被移动的物体变成僵尸。搬家不是抄袭。只提供一个接受右值引用的构造函数可能会破坏事情，如上所示。

如果你想复制到一个非栈帧位置并且有 swap ，无论如何都要考虑按值传递(在 C++0x 之前)

如果你有便宜的默认结构，结合 swap可能比复制东西更有效。考虑 S的构造函数是

    S (std::string s) : s_ (/* is this cheap for your std::string? */)
      {
        s_.swap (s); /* then this may be faster than copying */
        std::cout << "  S::<constructor>" << std::endl;
      }