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返回值的理解

news 来源：原创 2024/4/29 2:03:04

前言

我们写的函数是怎么返回的，该如何返回一个临时变量，临时变量不是出栈就销毁了吗，为什么可以传递给调用方？返回对象的大小对使用的方式有影响吗？本文将带你探究这些问题，阅读本文需要对函数栈帧有一定的理解，并了解基本的汇编指令。

文章汇编代码：采用 GCC 8.3.1，对 C 代码使用 -Og 优化级别生成的可执行程序，再用 objdump -d 反汇编的结果。

寄存器保存

如果返回的对象比较小，寄存器可以放得下，返回值将被放到 %rax 中。%rax 只能存放整数数据和指针，浮点数使用另外一组单独的寄存器。

返回寄存器

来看一段简单的代码：

// 一段简单让两数相乘的代码，写成这种形式，主要是尽量减少编译器优化
long mult2(long a, long b) {
    long t = a * b;
    return t;
}

void mult_store(long x, long y, long* dest) {
    long t = mult2(x, y);
    *dest = t;
}

00000000004004d2 <mult2>:
  # a in %rdi，b in %rsi
  4004d2:   mov    %rdi,%rax	# 把 a 移动到 %rax
  4004d5:   imul   %rsi,%rax	# 此时 %rax 保存的是参数 a，再将 %rsi 保存的参数 b 乘到 %rax
  4004d9:   retq				# 这时 %rax 保存的是 a * b

00000000004004da <mult_store>:
  # x in %rdi，y in %rsi，dest in %rdx
  4004da:   push   %rbx
  4004db:   mov    %rdx,%rbx		# 保存 dest，采取调用方保存
  4004de:   callq  4004d2 <mult2>	# 调用 mult2
  4004e3:   mov    %rax,(%rbx)		# 将 %rax 保存的 a * b
  									# 移动到 %rbx 保存的 dest 指针指向的内存处
  									# t 并没有实际的作用，编译器将其创建优化掉了
  4004e6:   pop    %rbx
  4004e7:   retq

编译器优化

上面所说的都是比较小的内置类型，那假如返回的对象很大，%rax 放不下该怎么办？

下面介绍一种 C++ 对返回值的优化方式，实际编译器并不一定会使用该方式。

class qgw {
    // 有默认构造函数、拷贝构造函数、析构函数等
    long a1;
    long a2;
    long a3;
} qgw;

qgw fun() {
	qgw q;
    // 处理 q
    return q;
}

如果返回值很小，我们可以使用寄存器取到返回值，现在又该怎么办呢？Stroustrup 在 cfront 中的解决方案是一个双阶段优化：

加上一个额外参数，类型是 class object 的一个 reference
- 这个参数在最后用 “返回值” 构建
在 return 指令之前插入一个拷贝构造调用操作，以便将想要返回的 object 的内容当做上述新增参数的初值

上述代码经转化后如下：

void fun(qgw& __result) {
	qgw q;
    // 编译器产生的默认构造函数调用操作
    q.qgw::qgw();
    // 处理 q
    // 编译器产生的拷贝构造调用操作
    __result.qgw::qgw(q);
    return;
}

qgw qin = fun();
// 转化为
// 不必为 qin 调用默认构造函数
qgw qin;
fun(qin);

// fun() 函数返回值调用 test 函数
fun().test();
// 转化为
// 编译器生成的临时变量
qgw __temp0;
(fun(__temp0), __temp0).test();

还有一种被称为 Named Return Value（NRL）优化，被视为标准 C++ 编译器的一个义不容辞的优化操作。

qgw fun() {
	qgw q;
    // 处理 q
    return q;
}

// 直接优化为
void fun(qgw& __result) {
    // 默认构造被调用
    __result.gqw::qgw();
    // 直接处理 __result
    return;
}