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コピーの省略と戻り値の最適化とは何ですか？

コピー省略とは何ですか？ （名前付き）戻り値の最適化とは何ですか？彼らは何を暗示していますか？

どのような状況で発生しますか？制限とは何ですか？

c++optimizationc++-faqreturn-value-optimizationcopy-elision
315
Luchian Grigore

前書き

技術的な概要については、- この回答に進んでください 。

コピーの省略が発生する一般的な場合- この回答にスキップ 。

コピー省略は、特定の状況で余分な（潜在的に高価な）コピーを防ぐために、ほとんどのコンパイラーによって実装される最適化です。これにより、値または値による受け渡しが実際に実行可能になります（制限が適用されます）。

As-ifルールを排除する（ha！）唯一の最適化形式です-オブジェクトのコピー/移動に副作用がある場合でもcopy elisionを適用できます。

Wikipedia からの次の例：

struct C {
  C() {}
  C(const C&) { std::cout << "A copy was made.\n"; }
};

C f() {
  return C();
}

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

コンパイラと設定に応じて、次の出力はすべて有効です：

"こんにちは世界"
コピーが作成されました。
コピーが作成されました。

"こんにちは世界"
コピーが作成されました。

"こんにちは世界"

これはまた、作成できるオブジェクトが少ないことを意味するため、特定の数のデストラクタが呼び出されることに依存することもできません。 copy/move-constructorsまたはdestructors内にクリティカルロジックを持たせないでください。これらが呼び出されることに依存することはできません。

コピーまたは移動コンストラクターの呼び出しが省略された場合、そのコンストラクターはまだ存在し、アクセス可能でなければなりません。これにより、コピーの省略により、通常はコピーできないオブジェクトのコピーが許可されなくなります。プライベートまたは削除されたコピー/移動コンストラクターがあるためです。

C++ 17：C++ 17の時点では、オブジェクトが直接返される場合、コピーの省略が保証されます。

struct C {
  C() {}
  C(const C&) { std::cout << "A copy was made.\n"; }
};

C f() {
  return C(); //Definitely performs copy elision
}
C g() {
    C c;
    return c; //Maybe performs copy elision
}

int main() {
  std::cout << "Hello World!\n";
  C obj = f(); //Copy constructor isn't called
}
212
Luchian Grigore

標準参照

技術的な観点と概要については、- この回答に進んでください 。

コピーの省略が発生する一般的な場合- この回答にスキップ 。

コピー省略は、標準で次のように定義されています。

12.8クラスオブジェクトのコピーと移動[class.copy]

として

31）特定の基準が満たされると、オブジェクトのコピー/移動コンストラクターおよび/またはデストラクターに副作用がある場合でも、実装はクラスオブジェクトのコピー/移動構築を省略することができます。そのような場合、実装は、省略されたコピー/移動操作のソースとターゲットを同じオブジェクトを参照する2つの異なる方法として扱い、そのオブジェクトの破棄は、2つのオブジェクトが最適化なしで破壊された。123 copy elisionと呼ばれるこのコピー/移動操作の省略は、次の状況で許可されます（複数のコピーを削除するために組み合わせることができます）。

—クラスの戻り値型を持つ関数のreturnステートメントで、式が、関数の戻り値型と同じcvunqualified型を持つ不揮発性の自動オブジェクト（関数またはcatch-clauseパラメーター以外）の名前である場合、関数の戻り値に自動オブジェクトを直接構築することにより、コピー/移動操作を省略できます。

— throw-expressionで、オペランドが、スコープが最も内側のtryブロックの終わりを超えて拡張しない不揮発性自動オブジェクト（関数またはcatch-clauseパラメーター以外）の名前である場合（存在する場合） 1）、オペランドから例外オブジェクト（15.1）へのコピー/移動操作は、自動オブジェクトを例外オブジェクトに直接構築することで省略できます。

—参照（12.2）にバインドされていない一時クラスオブジェクトを、同じcv非修飾型のクラスオブジェクトにコピー/移動する場合、一時オブジェクトを直接構築することにより、コピー/移動操作を省略できます。省略されたコピー/移動のターゲット

—例外ハンドラー（例外15）の例外宣言が、例外オブジェクト（15.1）と同じタイプ（cv-qualificationを除く）のオブジェクトを宣言する場合、例外宣言を処理することでコピー/移動操作を省略できます。例外宣言によって宣言されたオブジェクトのコンストラクターとデストラクターの実行を除き、プログラムの意味が変わらない場合は、例外オブジェクトのエイリアスとして。

123）2つではなく1つのオブジェクトのみが破棄され、1つのコピー/移動コンストラクターが実行されないため、構築されたオブジェクトごとに1つのオブジェクトが破棄されます。

例は次のとおりです。

class Thing {
public:
  Thing();
  ~Thing();
  Thing(const Thing&);
};
Thing f() {
  Thing t;
  return t;
}
Thing t2 = f();

そして説明：

ここで、除外の基準を組み合わせて、クラスThingのコピーコンストラクターへの2つの呼び出しを排除できます。ローカル自動オブジェクトtを、関数f()の戻り値の一時オブジェクトにコピーし、その一時オブジェクトをオブジェクトt2にコピーします。事実上、ローカルオブジェクトtの構築は、グローバルオブジェクトt2を直接初期化するものと見なすことができ、そのオブジェクトの破壊はプログラムの終了時に発生します。 Thingに移動コンストラクターを追加しても同じ効果がありますが、一時オブジェクトからt2への移動の構築が省略されます。

87
Luchian Grigore

コピー省略の一般的な形式

技術的な概要については、- この回答に進んでください 。

技術的な観点と概要については、- この回答に進んでください 。

（名前付き）戻り値の最適化は、コピー省略の一般的な形式です。メソッドから値によって返されたオブジェクトのコピーが省略されている状況を指します。標準に記載されている例は、オブジェクトに名前が付けられているため、名前付き戻り値の最適化を示しています。

class Thing {
public:
  Thing();
  ~Thing();
  Thing(const Thing&);
};
Thing f() {
  Thing t;
  return t;
}
Thing t2 = f();

一時的な値が返されると、通常の戻り値の最適化が発生します。

class Thing {
public:
  Thing();
  ~Thing();
  Thing(const Thing&);
};
Thing f() {
  return Thing();
}
Thing t2 = f();

コピーの省略が行われる他の一般的な場所は、temporaryがvalueで渡される場合です。

class Thing {
public:
  Thing();
  ~Thing();
  Thing(const Thing&);
};
void foo(Thing t);

foo(Thing());

またはexceptionがスローされ、valueでキャッチされた場合：

struct Thing{
  Thing();
  Thing(const Thing&);
};

void foo() {
  Thing c;
  throw c;
}

int main() {
  try {
    foo();
  }
  catch(Thing c) {  
  }             
}

コピー省略の一般的な制限は次のとおりです

  • 複数の戻り点
  • 条件付き初期化

ほとんどの商用グレードのコンパイラは、コピーの省略と（N）RVO（最適化設定に依存）をサポートします。

80
Luchian Grigore

コピー省略は、オブジェクトの不必要なコピー/移動を排除するコンパイラ最適化手法です。

以下の状況では、コンパイラーはコピー/移動操作を省略することが許可されているため、関連するコンストラクターを呼び出すことはできません。

  1. NRVO（名前付き戻り値の最適化）：関数が値によってクラスタイプを返し、returnステートメントの式が自動ストレージ期間を持つ不揮発性オブジェクトの名前である場合（関数パラメーターではない） ）、最適化されていないコンパイラーによって実行されるコピー/移動は省略できます。その場合、戻り値は、関数の戻り値が移動またはコピーされるストレージに直接構築されます。
  2. RVO（戻り値の最適化）：関数が、単純なコンパイラーによって宛先に移動またはコピーされる名前のない一時オブジェクトを返す場合、コピーまたは移動は1に従って省略できます。
#include <iostream>  
using namespace std;

class ABC  
{  
public:   
    const char *a;  
    ABC()  
     { cout<<"Constructor"<<endl; }  
    ABC(const char *ptr)  
     { cout<<"Constructor"<<endl; }  
    ABC(ABC  &obj)  
     { cout<<"copy constructor"<<endl;}  
    ABC(ABC&& obj)  
    { cout<<"Move constructor"<<endl; }  
    ~ABC()  
    { cout<<"Destructor"<<endl; }  
};

ABC fun123()  
{ ABC obj; return obj; }  

ABC xyz123()  
{  return ABC(); }  

int main()  
{  
    ABC abc;  
    ABC obj1(fun123());//NRVO  
    ABC obj2(xyz123());//NRVO  
    ABC xyz = "Stack Overflow";//RVO  
    return 0;  
}

**Output without -fno-elide-constructors**  
root@ajay-PC:/home/ajay/c++# ./a.out   
Constructor    
Constructor  
Constructor  
Constructor  
Destructor  
Destructor  
Destructor  
Destructor  

**Output with -fno-elide-constructors**  
root@ajay-PC:/home/ajay/c++# g++ -std=c++11 copy_elision.cpp -fno-elide-constructors    
root@ajay-PC:/home/ajay/c++# ./a.out   
Constructor  
Constructor  
Move constructor  
Destructor  
Move constructor  
Destructor  
Constructor  
Move constructor  
Destructor  
Move constructor  
Destructor  
Constructor  
Move constructor  
Destructor  
Destructor  
Destructor  
Destructor  
Destructor

コピーの省略が行われ、copy/move-constructorが呼び出されない場合でも、それが存在し、アクセス可能でなければなりません（最適化がまったく行われていないかのように）。

このようなコピーの削除は、ソフトウェアの観察可能な動作に影響を与えない場所でのみ許可する必要があります。コピーの省略は、観察可能な副作用をもたらす（つまり、排除する）ことができる最適化の唯一の形式です。例：

#include <iostream>     
int n = 0;    
class ABC     
{  public:  
 ABC(int) {}    
 ABC(const ABC& a) { ++n; } // the copy constructor has a visible side effect    
};                     // it modifies an object with static storage duration    

int main()   
{  
  ABC c1(21); // direct-initialization, calls C::C(42)  
  ABC c2 = ABC(21); // copy-initialization, calls C::C( C(42) )  

  std::cout << n << std::endl; // prints 0 if the copy was elided, 1 otherwise
  return 0;  
}

Output without -fno-elide-constructors  
root@ajay-PC:/home/ayadav# g++ -std=c++11 copy_elision.cpp  
root@ajay-PC:/home/ayadav# ./a.out   
0

Output with -fno-elide-constructors  
root@ajay-PC:/home/ayadav# g++ -std=c++11 copy_elision.cpp -fno-elide-constructors  
root@ajay-PC:/home/ayadav# ./a.out   
1

GCCは、コピー省略を無効にする-fno-elide-constructorsオプションを提供します。考えられるコピーの省略を回避したい場合は、-fno-elide-constructorsを使用します。

現在、最適化が有効な場合（および無効にするオプションが設定されていない場合）、ほとんどすべてのコンパイラーがコピー省略を提供します。

結論

コピーの省略ごとに、コピーの1つの構築と1つの一致する破棄が省略されるため、CPU時間を節約し、1つのオブジェクトが作成されないため、スタックフレームのスペースが節約されます。

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Ajay yadav