【产生】
C++中有这样一种对象:它在代码中看不到,但是确实存在。它就是临时对象---由编译器定义的一个没有命名的非堆对象(non-heap object)。为什么研究临时对象?主要是为了提高程序的性能以及效率,因为临时对象的构造与析构对系统性能而言绝不是微小的影响,所以我们应该去了解它们,知道它们如何造成,从而尽可能去避免它们。
临时对象通常产生于以下4种情况:
- 类型装换
- 按值传递
- 按值返回
- 对象定义
下面我们逐一看看:
1【类型转换】
它通常是为了让函数调用成功而产生临时对象。发生于 “传递某对象给一个函数,而其类型与它即将绑定上去的参数类型不同” 的时候。
例如:
void test(const string& str);
char buffer[] = "buffer";
test(buffer); // 此时发生类型转换
此时,编译器会帮你进行类型转换:它产生一个类型为string的临时对象,该对象以buffer为参数调用string constructor。当test函数返回时,此临时对象会被自动销毁。
注意:对于引用(reference)参数而言,只有当对象被传递给一个reference-to-const参数时,转换才发生。如果对象传递给一个reference-to-non-const对象,不会发生转换。
例如:
void upper(string& str);
char lower[] = "lower";
upper(lower); // 此时不能转换,编译出错
upper函数是将str中所有的字符改为大写,这是作者实现次函数的意图。
但是以上函数会编译错误。因为不再有任何临时对象被产生以使函数调用成功。为什么呢?假设我们编译器为此产生了一个string临时对象,string对象以lower为自变量调用string constructor。然后把此临时对象传递给upper函数,以便将其中的字符全部改为大写。但是函数的实参lower并未受到影响,修改的只是以lower为本产生的那个string临时对象。这就与作者的原始意图不相符了,作者写此函数目的是将lower传递给upper函数,修改lower,但是此函数却不能够完成。
如果编译器针对reference to non const 对象进行隐式类型转换,就会产生以上临时对象被修改而原始实参却不能够修改的窘状。
所以c++禁止为reference to non const 参数生成临时对象。
有时候,这种隐式类型转换不是我们期望的,那么我们可以通过声明constructor为explicit来实现。explicit告诉编译器,我们反对将constructor用于类型转换。
例如:
explicit string(const char*);
2【按值传递】
这通常也是为了让函数调用成功而产生临时对象。当按值传递对象时,实参对形参的初始化与T formalArg = actualArg的形式等价。
例如:
void test(T formalArg);
T actualArg;
test(actualArg);
此时编译器产生的伪码为:
T _temp;
_temp.T::T(acutalArg); // 通过拷贝构造函数生成_temp
g(_temp); // 按引用传递_temp
_temp.T::~T(); // 析构_temp
因为存在局部参数formalArg,test()的调用栈中将存在formalArg的占位符。编译器必须复制对象actualArg的内容到formalArg的占位符中。所以,此时编译器生成了临时对象。
3【按值返回】
如果函数是按值返回的,那么编译器很可能为之产生临时对象。
例如:
class Integer {
public:
friend Integer operator+(const Integer& a, const Integer& b);
Integer(int val=0): value(val) {
}
Integer(const Integer& rhs): value(rhs.value) {
}
Integer& operator=(const Integer& rhs);
~Integer() {
}
private:
int value;
};
Integer operator+(const Integer& a, const Integer& b) {
Integer retVal;
retVal.value = a.value + b.value;
return retVal;
}
Integer c1, c2, c3;
c3 = c1 + c2;
编译器生成的伪代码:
struct Integer _tempResult; // 表示占位符,不调用构造函数
operator+(_tempResult, c1, c2); // 所有参数按引用传递
c3 = _tempResult; // operator=函数执行
Integer operator+(const Integer& _tempResult, const Integer& a, const Integer& b) {
struct Integer retVal;
retVal.Integer::Integer(); // Integer(int val=0)执行
retVal.value = a.value + b.value;
_tempResult.Integer::Integer(retVal); // 拷贝构造函数Integer(const Integer& rhs)执行,生成临时对象。
retVal.Integer::~Integer(); // 析构函数执行
return;
}
return retVal;
}
如果对operator+进行返回值优化(RVO:Return Value Optimization),那么临时对象将不会产生。
例如:
Integer operator+(const Integer& a, const Integer& b) {
return Integer(a.value + b.value);
}
编译器生成的伪代码:
Integer operator+(const Integer& _tempResult, const Integer& a, const Integer& b) {
_tempResult.Integer::Integer(); // Integer(int val=0)执行
_tempResult.value = a.value + b.value;
return;
}
对照上面的版本,我们可以看出临时对象retVal消除了。
4【对象定义】
例如:
Integer i1(100); // 编译器肯定不会生成临时对象
Integer i2 = Integer(100); // 编译器可能生成临时对象
Integer i3 = 100; // 编译器可能生成临时对象
然而,实际上大多数的编译器都会通过优化省去临时对象,所以这里的初始化形式基本上在效率上都是相同的。
备注:
临时对象的生命期:按照C++标准的说法,临时对象的摧毁,是对完整表达式求值过程中的最后一个步骤。该完整表达式照成了临时对象的产生。
完整表达式通常是指包含临时对象表达式的最外围的那个。例如:
((objA >1024)&&(objB <1024) ) ? (objA - objB) :(objB-objA)
这个表达式中一共含有5个表达式,最外围的表达式是?。任何一个子表达式所产生的任何一个临时对象,都应该在完整表达式被求值完成后,才可以销毁。
临时对象的生命周期规则有2个例外:
1、在表达式被用来初始化一个object时。例如:
String progName("test");
String progVersion("ver-1.0");
String progNameVersion = progName + progVersion
如果progName + progVersion产生的临时对象在表达式求值结束后就析构,那么progNameVersion就无法产生。所以,C++标准规定:含有表达式执行结果的临时对象,应该保留到object的初始化操作完成为止。
小心这种情况:
const char* progNameVersion = progName + progVersion
这个初始化操作是一定会失败的。编译器产生的伪码为:
String _temp;
operator+(_temp, progName, progVersion);
progNameVersion = _temp.String::operator char*();
_temp.String::~String();
2、当一个临时对象被一个reference绑定时。例如:
const String& name = "C++";
编译器产生的伪码为:
String _temp;
temp.String::String("C++");
const String& name = _temp;
针对这种情况,C++标准上是这样说的:如果一个临时对象被绑定于一个reference,对象将保留,直到被初始化的reference的生命结束,或直到临时对象的生命范围结束-----看哪种情况先到达而定。
参考书籍:
1、《深度探索:C++对象模型》
2、《提高C++性能的编程技术》
3、《Effective C++》
4、《more effective C++》
5、《C++语言的设计和演化》
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