理解C++中臨時(shí)對(duì)象的來源

郝亞洲　李文敏

在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語言諸如C++之類的時(shí)候,經(jīng)常會(huì)遇到一個(gè)詞匯—“臨時(shí)對(duì)象”,這個(gè)概念很多初學(xué)者在學(xué)習(xí)了很長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算機(jī)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(shí)實(shí)現(xiàn)是什么,該文通過實(shí)例探討了臨時(shí)對(duì)象的特點(diǎn)和特性,對(duì)理解計(jì)算機(jī)語言中這一較難的概念有很大的幫助和啟發(fā)。

C++;臨時(shí)變量;臨時(shí)對(duì)象

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

在C++中真正的臨時(shí)對(duì)象是看不見的,它們不出現(xiàn)在你的源代碼中。建立一個(gè)沒有命名的非堆(non-heap)對(duì)象會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)對(duì)象。這種未命名的對(duì)象通常在兩種條件下產(chǎn)生:為了使函數(shù)成功調(diào)用而進(jìn)行隱式類型轉(zhuǎn)換和函數(shù)返回對(duì)象時(shí)。理解如何和為什么建立這些臨時(shí)對(duì)象是很重要的,因?yàn)闃?gòu)造和釋放它們的開銷對(duì)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(shù)成功調(diào)用而建立臨時(shí)對(duì)象這種情況。當(dāng)傳送給函數(shù)的對(duì)象類型與參數(shù)類型不匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生這種情況。例如一個(gè)函數(shù),它用來計(jì)算一個(gè)字符在字符串中出現(xiàn)的次數(shù):

//返回ch在str中出現(xiàn)的次數(shù)

看一下count Char的調(diào)用。第一個(gè)被傳送的參數(shù)是字符數(shù)組,但是對(duì)應(yīng)函數(shù)的正被綁定的參數(shù)的類型是const string&。僅當(dāng)消除類型不匹配后,才能成功進(jìn)行這個(gè)調(diào)用,你的編譯器很樂意替你消除它,方法是建立一個(gè)string類型的臨時(shí)對(duì)象。通過以buffer做為參數(shù)調(diào)用string的構(gòu)造函數(shù)來初始化這個(gè)臨時(shí)對(duì)象。count Char的參數(shù)str被綁定在這個(gè)臨時(shí)的string對(duì)象上。當(dāng)count Char返回時(shí),臨時(shí)對(duì)象自動(dòng)釋放。

這樣的類型轉(zhuǎn)換很方便(盡管很危險(xiǎn)-參見條款M5),但是從效率的觀點(diǎn)來看,臨時(shí)string對(duì)象的構(gòu)造和釋放是不必要的開銷。通常有兩個(gè)方法可以消除它。一種是重新設(shè)計(jì)你的代碼,不讓發(fā)生這種類型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換,條款M21講述了如何去做。

僅當(dāng)通過傳值(by value)方式傳遞對(duì)象或傳遞常量引用(reference-to-const)參數(shù)時(shí),才會(huì)發(fā)生這些類型轉(zhuǎn)換。當(dāng)傳遞一個(gè)非常量引用(reference-to-non-const)參數(shù)對(duì)象,就不會(huì)發(fā)生?？紤]一下這個(gè)函數(shù):void uppercasify(string& str);//把str中所有的字符//改變成大寫。在字符計(jì)數(shù)的例子里,能夠成功傳遞char數(shù)組到count Char中,但是在這里試圖用char數(shù)組調(diào)用upeercasify函數(shù),則不會(huì)成功:

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

沒有為使調(diào)用成功而建立臨時(shí)對(duì)象,為什么呢?

假設(shè)建立一個(gè)臨時(shí)對(duì)象,那么臨時(shí)對(duì)象將被傳遞到upeercasify中,其會(huì)修改這個(gè)臨時(shí)對(duì)象,把它的字符改成大寫。但是對(duì)subtle Book Plug函數(shù)調(diào)用的真正參數(shù)沒有任何影響;僅僅改變了臨時(shí)從subtle Book Plug生成的string對(duì)象。無疑這不是程序員所希望的。程序員傳遞subtle Book Plug參數(shù)到uppercasify函數(shù)中,期望修改subtle Book Plug的值。當(dāng)程序員期望修改非臨時(shí)對(duì)象時(shí),對(duì)非常量引用(references-to-non-const)進(jìn)行的隱式類型轉(zhuǎn)換卻修改臨時(shí)對(duì)象。這就是為什么C++語言禁止為非常量引用(reference-to-non-const)產(chǎn)生臨時(shí)對(duì)象。這樣非常量引用(reference-to-non-const)參數(shù)就不會(huì)遇到這種問題。

建立臨時(shí)對(duì)象的第二種環(huán)境是函數(shù)返回對(duì)象時(shí)。例如operator+必須返回一個(gè)對(duì)象,以表示它的兩個(gè)操作數(shù)的和(參見Effective C++條款23)。例如給定一個(gè)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(gè)函數(shù)的返回值是臨時(shí)的,因?yàn)樗鼪]有被命名;它只是函數(shù)的返回值。你必須為每次調(diào)用operator+構(gòu)造和釋放這個(gè)對(duì)象而付出代價(jià)。(有關(guān)為什么返回值是const的詳細(xì)解釋,參見Effective C++條款21)

通常你不想付出這樣的開銷。對(duì)于這種函數(shù),你可以切換到operator=,而避免開銷。條款M22告訴我們進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換的方法。不過對(duì)于大多數(shù)返回對(duì)象的函數(shù)來說,無法切換到不同的函數(shù),從而沒有辦法避免構(gòu)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(xiàn)實(shí)之間又一個(gè)黑暗地帶,叫做優(yōu)化,有時(shí)你能以某種方法編寫返回對(duì)象的函數(shù),以允許你的編譯器優(yōu)化臨時(shí)對(duì)象。這些優(yōu)化中,最常見和最有效的是返回值優(yōu)化,這是條款M20的內(nèi)容。

綜上所述,臨時(shí)對(duì)象是有開銷的,所以你應(yīng)該盡可能地去除它們,然而更重要的是訓(xùn)練自己尋找可能建立臨時(shí)對(duì)象的地方。在任何時(shí)候只要見到常量引用(reference-to-const)參數(shù),就存在建立臨時(shí)對(duì)象而綁定在參數(shù)上的可能性。在任何時(shí)候只要見到函數(shù)返回對(duì)象,就會(huì)有一個(gè)臨時(shí)對(duì)象被建立(以后被釋放)。學(xué)會(huì)尋找這些對(duì)象構(gòu)造,你就能顯著地增強(qiáng)透過編譯器表面動(dòng)作而看到其背后開銷的能力。

本文通過實(shí)例對(duì)臨時(shí)對(duì)象這個(gè)概念做了簡(jiǎn)明清晰的闡述,使得讀者對(duì)這個(gè)概念的理解更加理性和深入,并且用一個(gè)個(gè)例子實(shí)實(shí)在在地回答了了臨時(shí)對(duì)象究竟是什么,它的來源是什么這兩個(gè)基本問題,對(duì)于廣大計(jì)算機(jī)語言初學(xué)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(duì)象模型[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2007.05