Поліпшення повернення значення

Поліпшення повернення значення (англ. return value optimization, RVO) чи просто ППЗ — це техніка оптимізації, яку застосовує компілятор, що серед іншого виключає створення тимчасового об'єкта для збереження значення, що вертається з функції.^[1] В C++, вона особливо примітна тим, що дозволяє змінити поведінку отриманої програми.^[2]

Підсумок

Загалом, стандарт С++ дозволяє компіляторам застосовувати будь-які оптимізації, допоки отриманий виконуваний файл поводиться так, наче всі вимоги стандарту було виконано. Цей підхід зазвичай згадується як правило "так наче" (англ. as-if rule).^[3] Термін поліпшення повернення значення звертається до пункту в ISO/IEC 14882, який дозволяє реалізації опустити копіювання, що відбувається через інструкцію повернення, навіть якщо конструктор копіювання має побічні ефекти,^[4], хоча це й не дозволяється самим правилом так наче.^[3]

Наступний приклад показує хід дій, за якого реалізація може позбутись одного чи двох копіювань, навіть якщо конструктор копіювання має видимі побічні ефекти, приміром, роздрук тексту.^[4] Перше копіювання якого можна уникнути - копіювання створеного екземпляру класу C() у значення, що поверне функція f. Друге - копіювання тимчасового об'єкта повернутого функцією f у obj.

#include <iostream>

struct C {
  C() {}
  C(const C&) { std::cout << "Відбулось копіювання.\n"; }
};

C f() {
  return C();
}

int main() {
  std::cout << "Здоровенькі були!\n";
  C obj = f();
}

Залежно від компілятора та його налаштувань, програма може вивести такий текст:

Здоровенькі були!
Відбулось копіювання.
Відбулось копіювання.

Здоровенькі були!
Відбулось копіювання.

Здоровенькі були!

Пояснення

При повернені вбудованого типу з функції додаткових операцій зазвичай не виконується, оскільки об'єкт передається через регістр. Вертання більших об'єктів (екземпляру деякого класу) може вимагати копіювання з однієї місцини в пам'яті до іншої. Для цього у стековому кадрі створюється прихований об'єкт, адреса якого передається у функцію. Значення що повертається з функції копіюється в цей об'єкт за наданою адресою.^[5] Отже, для коду на кшталт:

struct Data { 
  char bytes[16]; 
};

Data f() {
  Data result = {};
  // утворення результату
  return result;
}

int main() {
  Data d = f();
}

компілятор згенерує таке:

struct Data { 
  char bytes[16]; 
};

Data * f(Data * _hiddenAddress) {
  Data result = {};
  // копіювання результату в прихований об'єкт
  *_hiddenAddress = result;
  return _hiddenAddress;
}

int main() {
  Data _hidden; // створити прихований об'єкт
  Data d = *f(&_hidden); // копіювати результат в d
}

Як бачимо, двічі виконується копіювання об'єкта Data.

На ранніх стадіях розвитку C++, нездатність мови ефективно повернути об'єкт класу з функції вважалась одним з її недоліків.^[6] Близько 1991, Волтер Брайт винайшов спосіб зменшення кількості копіювань, використовуючи замість двох об'єктів (прихованого та локальної змінної функції f) один - у який зберігається результат:^[7]

struct Data { 
  char bytes[16]; 
};

void f(Data *p) {
  // записуємо результат одразу в *p
}

int main() {
  Data d;
  f(&d);
}

Брайт реалізував своє поліпшення в компіляторі Zortech C++.^[6] Цей особливий спосіб був з часом названий «Поліпшення повернення іменованого значення» (англ. named return value optimization), вказуючи на той факт, що копіювання іменованого об'єкта скасоване.^[7]

Підтримка компіляторами

Поліпшення повернення значення підтримується більшістю компіляторів^[1][8][9]. Однак можливі умови, коли компілятор не може виконати поліпшення. Найпоширенішим є приклад, коли функція повертає різні значення в залежності від шляху виконання програми: ^[8][10][5]

#include <string>
std::string f(bool cond = false) {
  std::string first("first");
  std::string second("second");
  // функція може повернути один із двох іменованих об'єктів
  // залежно від параметра. ППЗ не може бути застосоване
  return cond ? first : second;
}

int main() {
  std::string result = f();
}