[C++] 函式，如何傳遞一個C++物件

Introduction

不論在C或C++中，當函式要傳遞一個「傳回值」時，通常可以透過「暫存器」來傳遞，也就是：函式把將要回傳的值，暫存在某個暫存器中，接下來呼叫方就可以去讀取該暫存器，也就達到傳遞的效果，以上作法的前提是，該「暫存器」容納得下該「傳回值」；然而，在C++中，當函式的「傳回值」不再是一般小尺寸的型態，而是大尺寸的物件時，會發生什麼事？編譯器會如何來處理這種情況？本篇文章即要討論這個情況。

Return Value — 「object」

當傳回值是個C++的「物件」，且程式沒有設定傳回值最佳化時(Return Value Optimization)，則需要透過兩次的物件複製來達到傳遞目的:

1. 將該物件複製到堆疊上的臨時空間
2. 將存放在臨時空間中的物件複製到儲存函式回傳值的物件上

然而，根據不同的compiler及不同的calling convention，甚至不同的平台，在傳遞物件上皆會有不同的實作方式。

接下來在實驗的地方，我將比較在「VC9」(WITH Windows XP)及「g++」(WITH Ubuntu 10.04 64bit)這兩種不同的compiler及不同的平台下，執行物件回傳的異同，以及Return Value Optimization的設定對於執行結果的影響。

Experiment
在實驗一跟實驗二的地方，我將在VC9及g++底下分別執行測試的程式碼，並將執行結果的截圖貼上來。而由於前面兩個實驗產生了不同的執行結果，我將在short summary的地方進一步分析原因，並透過實驗三來做驗證
 

• Source Code

#include <iostream>

using namespace std;

struct cpp_obj
{
 cpp_obj()
 {
  cout << "ctor\n";
 }
 cpp_obj(const cpp_obj& c)
 {
  cout << "copy ctor\n";
 }
 cpp_obj& operator=(const cpp_obj& rhs)
 {
  cout << "operator=\n";
  return *this;
 }
 ~cpp_obj()
 {
  cout << "dtor\n";
 }
};

cpp_obj return_test()
{
 cpp_obj b;
    cout << "before return\n";
 return b;
}

int main()
{
 cpp_obj n;
 n = return_test();
}

• Exp.1

          實驗一是在windows XP下使用VC9，底下是執行結果的截圖

• Exp.2

          實驗二是在Ubuntu下使用g++，底下是執行結果的截圖

• short summary of Exp.1 & Exp.2

在實驗一當中，我們發現物件被複製了兩次，分別是

1. 呼叫「copy constructor」來將物件複製到堆疊上的臨時空間
2. 呼叫「operator=」來將存放在臨時空間中的物件複製到儲存函式回傳值的物件上

而實驗二，我們發現減少了copy constructor的呼叫，原因是因為g++ compiler在執行程式時自動做了最佳化(Return Value Optimization)，將物件直接建構在臨時空間上，因此物件少了一次的複製。


因此，在實驗三，我們要做的就是將VC9的程式最佳化打開，我們可以預料得到的是: 最佳化打開後，物件勢必會減少一次的複製。

• Exp.3

實驗三是在windows XP下使用VC9，且打開程式的最佳化(Return Value Optimization)，底下是執行結果的截圖

Conclusion

本篇文章介紹了函式是如何傳遞一個C++物件，且透過實驗來說明不同的compiler會有不同的設定，根據不同的compiler及不同的calling convention，甚至不同的平台，在傳遞物件上皆會有不同的實作方式。

筆者是在VC9(WITH Windows XP)及g++(WITH Ubuntu 10.04 64bit)這兩種compiler下編譯程式的，而我們發現Return Value Optimization提升了程式執行時的效能，深深影響著實驗的結果，更多討論可以詳見Reference 2。

回傳一個物件是一件非常繁雜的工作，也因此，我們應該盡量避免回傳「物件」。

Reference 

1. 程式設計師的自我修養 — 連結、載入、程式庫，俞甲子、石凡、潘愛民 
2. MSDN, http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms364057%28VS.80%29.aspx