理解C++中临时对象的来源
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在学习计算机语言诸如C++之类的时候,经常会遇到一个词汇—“临时对象”,这个概念很多初学者在学习了很长时间计算机语言之后还是不能很好的理解它的含义和它背后隐藏的真实实现是什么,该文通过实例探讨了临时对象的特点和特性,对理解计算机语言中这一较难的概念有很大的帮助和启发。
当程序员之间进行交谈时,他们经常把仅仅需要一小段时间的变量称为临时变量。例如在下面这段swap(交换)例程里:
在C++中真正的临时对象是看不见的,它们不出现在你的源代码中。建立一个没有命名的非堆(non-heap)对象会产生临时对象。这种未命名的对象通常在两种条件下产生:为了使函数成功调用而进行隐式类型转换和函数返回对象时。理解如何和为什么建立这些临时对象是很重要的,因为构造和释放它们的开销对于程序的性能来说有着不可忽视的影响。
首先考虑为使函数成功调用而建立临时对象这种情况。当传送给函数的对象类型与参数类型不匹配时会产生这种情况。例如一个函数,它用来计算一个字符在字符串中出现的次数:
//返回ch在str中出现的次数
看一下count Char的调用。第一个被传送的参数是字符数组,但是对应函数的正被绑定的参数的类型是const string&。仅当消除类型不匹配后,才能成功进行这个调用,你的编译器很乐意替你消除它,方法是建立一个string类型的临时对象。通过以buffer做为参数调用string的构造函数来初始化这个临时对象。count Char的参数str被绑定在这个临时的string对象上。当count Char返回时,临时对象自动释放。
这样的类型转换很方便(尽管很危险-参见条款M5),但是从效率的观点来看,临时string对象的构造和释放是不必要的开销。通常有两个方法可以消除它。一种是重新设计你的代码,不让发生这种类型转换。这种方法在条款M5中被研究和分析。另一种方法是通过修改软件而不再需要类型转换,条款M21讲述了如何去做。
仅当通过传值(by value)方式传递对象或传递常量引用(reference-to-const)参数时,才会发生这些类型转换。当传递一个非常量引用(reference-to-non-const)参数对象,就不会发生。考虑一下这个函数:void uppercasify(string& str);//把str中所有的字符//改变成大写。在字符计数的例子里,能够成功传递char数组到count Char中,但是在这里试图用char数组调用upeercasify函数,则不会成功:
char subtle Book Plug[]="Effective C++";uppercasify(subtle Book Plug);//错误!
没有为使调用成功而建立临时对象,为什么呢?
假设建立一个临时对象,那么临时对象将被传递到upeercasify中,其会修改这个临时对象,把它的字符改成大写。但是对subtle Book Plug函数调用的真正参数没有任何影响;仅仅改变了临时从subtle Book Plug生成的string对象。无疑这不是程序员所希望的。程序员传递subtle Book Plug参数到uppercasify函数中,期望修改subtle Book Plug的值。当程序员期望修改非临时对象时,对非常量引用(references-to-non-const)进行的隐式类型转换却修改临时对象。这就是为什么C++语言禁止为非常量引用(reference-to-non-const)产生临时对象。这样非常量引用(reference-to-non-const)参数就不会遇到这种问题。
建立临时对象的第二种环境是函数返回对象时。例如operator+必须返回一个对象,以表示它的两个操作数的和(参见Effective C++条款23)。例如给定一个类型Number,这种类型的operator+被这样声明:const Number operator+(const Number& lhs, const Number& rhs);
这个函数的返回值是临时的,因为它没有被命名;它只是函数的返回值。你必须为每次调用operator+构造和释放这个对象而付出代价。(有关为什么返回值是const的详细解释,参见Effective C++条款21)
通常你不想付出这样的开销。对于这种函数,你可以切换到operator=,而避免开销。条款M22告诉我们进行这种转换的方法。不过对于大多数返回对象的函数来说,无法切换到不同的函数,从而没有办法避免构造和释放返回值。至少在概念上没有办法避免它。然而概念和现实之间又一个黑暗地带,叫做优化,有时你能以某种方法编写返回对象的函数,以允许你的编译器优化临时对象。这些优化中,最常见和最有效的是返回值优化,这是条款M20的内容。
综上所述,临时对象是有开销的,所以你应该尽可能地去除它们,然而更重要的是训练自己寻找可能建立临时对象的地方。在任何时候只要见到常量引用(reference-to-const)参数,就存在建立临时对象而绑定在参数上的可能性。在任何时候只要见到函数返回对象,就会有一个临时对象被建立(以后被释放)。学会寻找这些对象构造,你就能显著地增强透过编译器表面动作而看到其背后开销的能力。
本文通过实例对临时对象这个概念做了简明清晰的阐述,使得读者对这个概念的理解更加理性和深入,并且用一个个例子实实在在地回答了了临时对象究竟是什么,它的来源是什么这两个基本问题,对于广大计算机语言初学者有着很积极的意义。
[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++对象模型[M].武汉:华中科技大学出版社,2007.05