理解C++中臨時對象的來源

郝亞洲　李文敏

在學習計算機語言諸如C++之類的時候,經常會遇到一個詞匯—“臨時對象”,這個概念很多初學者在學習了很長時間計算機語言之后還是不能很好的理解它的含義和它背后隱藏的真實實現是什么,該文通過實例探討了臨時對象的特點和特性,對理解計算機語言中這一較難的概念有很大的幫助和啟發。

C++;臨時變量;臨時對象

當程序員之間進行交談時,他們經常把僅僅需要一小段時間的變量稱為臨時變量。例如在下面這段swap(交換)例程里:

在C++中真正的臨時對象是看不見的,它們不出現在你的源代碼中。建立一個沒有命名的非堆(non-heap)對象會產生臨時對象。這種未命名的對象通常在兩種條件下產生:為了使函數成功調用而進行隱式類型轉換和函數返回對象時。理解如何和為什么建立這些臨時對象是很重要的,因為構造和釋放它們的開銷對于程序的性能來說有著不可忽視的影響。

首先考慮為使函數成功調用而建立臨時對象這種情況。當傳送給函數的對象類型與參數類型不匹配時會產生這種情況。例如一個函數,它用來計算一個字符在字符串中出現的次數:

//返回ch在str中出現的次數

看一下count Char的調用。第一個被傳送的參數是字符數組,但是對應函數的正被綁定的參數的類型是const string&。僅當消除類型不匹配后,才能成功進行這個調用,你的編譯器很樂意替你消除它,方法是建立一個string類型的臨時對象。通過以buffer做為參數調用string的構造函數來初始化這個臨時對象。count Char的參數str被綁定在這個臨時的string對象上。當count Char返回時,臨時對象自動釋放。

這樣的類型轉換很方便(盡管很危險-參見條款M5),但是從效率的觀點來看,臨時string對象的構造和釋放是不必要的開銷。通常有兩個方法可以消除它。一種是重新設計你的代碼,不讓發生這種類型轉換。這種方法在條款M5中被研究和分析。另一種方法是通過修改軟件而不再需要類型轉換,條款M21講述了如何去做。

僅當通過傳值(by value)方式傳遞對象或傳遞常量引用(reference-to-const)參數時,才會發生這些類型轉換。當傳遞一個非常量引用(reference-to-non-const)參數對象,就不會發生。考慮一下這個函數:void uppercasify(string& str);//把str中所有的字符//改變成大寫。在字符計數的例子里,能夠成功傳遞char數組到count Char中,但是在這里試圖用char數組調用upeercasify函數,則不會成功:

char subtle Book Plug[]="Effective C++";uppercasify(subtle Book Plug);//錯誤!

沒有為使調用成功而建立臨時對象,為什么呢?

假設建立一個臨時對象,那么臨時對象將被傳遞到upeercasify中,其會修改這個臨時對象,把它的字符改成大寫。但是對subtle Book Plug函數調用的真正參數沒有任何影響;僅僅改變了臨時從subtle Book Plug生成的string對象。無疑這不是程序員所希望的。程序員傳遞subtle Book Plug參數到uppercasify函數中,期望修改subtle Book Plug的值。當程序員期望修改非臨時對象時,對非常量引用(references-to-non-const)進行的隱式類型轉換卻修改臨時對象。這就是為什么C++語言禁止為非常量引用(reference-to-non-const)產生臨時對象。這樣非常量引用(reference-to-non-const)參數就不會遇到這種問題。

建立臨時對象的第二種環境是函數返回對象時。例如operator+必須返回一個對象,以表示它的兩個操作數的和(參見Effective C++條款23)。例如給定一個類型Number,這種類型的operator+被這樣聲明:const Number operator+(const Number& lhs, const Number& rhs);

這個函數的返回值是臨時的,因為它沒有被命名;它只是函數的返回值。你必須為每次調用operator+構造和釋放這個對象而付出代價。(有關為什么返回值是const的詳細解釋,參見Effective C++條款21)

通常你不想付出這樣的開銷。對于這種函數,你可以切換到operator=,而避免開銷。條款M22告訴我們進行這種轉換的方法。不過對于大多數返回對象的函數來說,無法切換到不同的函數,從而沒有辦法避免構造和釋放返回值。至少在概念上沒有辦法避免它。然而概念和現實之間又一個黑暗地帶,叫做優化,有時你能以某種方法編寫返回對象的函數,以允許你的編譯器優化臨時對象。這些優化中,最常見和最有效的是返回值優化,這是條款M20的內容。

綜上所述,臨時對象是有開銷的,所以你應該盡可能地去除它們,然而更重要的是訓練自己尋找可能建立臨時對象的地方。在任何時候只要見到常量引用(reference-to-const)參數,就存在建立臨時對象而綁定在參數上的可能性。在任何時候只要見到函數返回對象,就會有一個臨時對象被建立(以后被釋放)。學會尋找這些對象構造,你就能顯著地增強透過編譯器表面動作而看到其背后開銷的能力。

本文通過實例對臨時對象這個概念做了簡明清晰的闡述,使得讀者對這個概念的理解更加理性和深入,并且用一個個例子實實在在地回答了了臨時對象究竟是什么,它的來源是什么這兩個基本問題,對于廣大計算機語言初學者有著很積極的意義。

[1]Stanley B. Lippman, Josee Lajoie, Barbara E. Moo C++ Primer[M].Addison-Wesley Educational Publishers Inc,2005.02

[2]Brian W. Kernighan, Dennis M. Ritchie. The C ++ programming language[M].Prentice Hall,1989.01

[3]Stanley B. Lippman,侯捷.深入探索C++對象模型[M].武漢:華中科技大學出版社,2007.05