返回值优化（RVONRVO）详解

一、什么是返回值优化（RVO/NRVO/URVO）？

返回值优化（Return Value Optimization, RVO）

命名返回值优化（Named Return Value Optimization, NRVO）

未命名返回值优化（Unnamed Return Value Optimization, NRVO）

Since C++17, URVO is mandatory and no longer considered a form of copy elision.

https://en.cppreference.com/w/cpp/language/copy_elision.html

是编译器在特定情况下对函数返回值的优化技术，旨在减少不必要的对象拷贝或移动操作，从而提高程序性能。那究竟什么是返回值优化呢？其根本就是拷贝省略。

RVO：当函数返回一个局部对象时，编译器直接在调用者的栈帧中构造该对象，避免在函数返回时进行拷贝或移动。
NRVO：当函数返回一个命名的局部对象时，编译器同样直接在调用者的栈帧中构造该对象，避免拷贝或移动。
URVO：当函数返回一个未命名的临时对象时，编译器同样直接在调用者的栈帧中构造该对象，避免拷贝或移动

二、为什么需要 RVO？

在 C++ 中，函数返回对象时，通常会经历以下步骤：

在函数内部构造一个临时对象。
将临时对象拷贝或移动到调用者的栈帧中。
临时对象被销毁。

这种额外的拷贝或移动操作会增加程序的开销，尤其是在对象较大或构造、析构成本较高时。RVO通过消除这些不必要的操作来优化性能。总结就是RVO比移动语义更高效（直接构造，无额外操作）。

三、RVO代码分析

编译器通过以下方式实现NRVO/URVO：

直接构造：编译器在调用者的栈帧中直接构造返回对象，而不是在函数内部构造临时对象。
跳过拷贝或移动：由于对象已经在调用者的栈帧中构造，因此不需要进行拷贝或移动操作。

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.31)
project(untitled)

#set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
#set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)
#set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 20)

## 打印当前使用的编译器信息
#message(STATUS "C compiler ID: ${CMAKE_C_COMPILER_ID}")
#message(STATUS "C++ compiler ID: ${CMAKE_CXX_COMPILER_ID}")
#
#if (CMAKE_CXX_COMPILER_ID STREQUAL "GNU")
#    add_compile_options(-fno-elide-constructors)
#    message(STATUS "GNU")
#elseif (CMAKE_CXX_COMPILER_ID STREQUAL "MSVC")
#    add_compile_options(/Od)
#    message(STATUS "MSVC")
#else ()
#    message(WARNING "Unknown Compiler!")
#endif ()

# MSVC 和 MinGW (GCC) 禁用RVO优化
if (MSVC)
    add_compile_options(/Od)
elseif (MINGW)
    # MinGW (GCC): 禁用RVO优化
    add_compile_options(-fno-elide-constructors)
else ()
    message(WARNING "Unknown Compiler!")
endif ()

add_executable(untitled main.cpp)

main.cpp

#include <iostream>

class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "Default Constructor" << std::endl;
    }

    MyClass(const MyClass &) {
        std::cout << "Copy Constructor" << std::endl;
    }

    MyClass(MyClass &&) noexcept {
        std::cout << "Move Constructor" << std::endl;
    }

    ~MyClass() {
        std::cout << "Destructor" << std::endl;
    }
};

// 返回一个命名的局部对象（可能触发NRVO）
MyClass createWithNRVO() {
    MyClass obj; // 命名局部对象
    return obj; // 直接在调用者的栈帧中构造
}

// 返回一个未命名的临时对象（可能触发URVO）
MyClass createWithURVO() {
    return {}; // 直接构造临时对象并返回
    // return MyClass();
}

int main() {
    std::cout << "NRVO:" << std::endl;
    MyClass b = createWithNRVO();

    std::cout << "URVO:" << std::endl;
    MyClass a = createWithURVO();

    return 0;
}

当RVO触发时（通常在优化模式下）：

NRVO:
Default Constructor
URVO:
Default Constructor
Destructor
Destructor

当RVO未触发时（使用-fno-elide-constructors编译）：

NRVO:
Default Constructor
Move Constructor
Destructor
URVO:
Default Constructor
Destructor
Destructor

编译选项

要观察RVO的效果，也可以使用以下编译命令：

# 启用RVO（默认情况下大多数编译器会启用）
g++ -std=c++11 -O2 main.cpp -o untitled
 
# 禁用RVO以观察拷贝、移动操作
g++ -std=c++11 -O0 -fno-elide-constructors main.cpp -o untitled

四、NRVO/URVO 的触发条件

编译器是否应用 NRVO/URVO 取决于以下因素：

编译器实现：不同编译器（如 GCC、Clang、MSVC）对 NRVO/URVO 的支持程度不同。
优化级别：通常需要在 -O1 或更高优化级别下启用。
代码结构：
- 返回的必须是局部对象（匿名或命名）。
- 不能有多个返回路径（如 if-else 返回不同对象）。
- 不能有异常处理干扰（如 try-catch）。

五、人为阻止 RVO

使用 std::move 谨慎，在返回局部对象时，显式使用 std::move(obj) 会阻止 NRVO（但可能触发移动语义）。不同编译器阻止RVO的范围也不同（MSVC有点特殊）。

GCC编译器仅std::move()的对象会阻止NRVO
MSVC编译器C++17及之前版本会影响全局阻止RVO，C++20恢复只影响局部对象NRVO

#include <iostream>

class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "Default Constructor" << std::endl;
    }

    MyClass(const MyClass &) {
        std::cout << "Copy Constructor" << std::endl;
    }

    MyClass(MyClass &&) noexcept {
        std::cout << "Move Constructor" << std::endl;
    }

    ~MyClass() {
        std::cout << "Destructor" << std::endl;
    }
};

// 演示 NRVO（无 std::move）
MyClass createObjectNRVO() {
    MyClass obj; // 局部对象
    return obj; // 可能触发 NRVO
}

// 显式使用 std::move（阻止 NRVO，触发移动语义）
MyClass createObjectWithMove() {
    MyClass obj;
    return std::move(obj); // 强制移动语义，阻止 NRVO
}

int main() {
    MyClass a = createObjectNRVO(); // 可能触发 NRVO（无拷贝/移动）
    MyClass b = createObjectWithMove(); // 触发移动构造
    return 0;
}

六、禁用RVO

微软官网MSVC编译器优化选项

https://learn.microsoft.com/en-us/cpp/build/reference/compiler-options-listed-by-category?view=msvc-170

MSVC 没有提供像 -fno-elide-constructors 这样的选项来禁用 RVO。
MSVC 会在 C++20 及以后版本强制执行 RVO，无法通过编译选项关闭。

可行的替代方案：

如果你目的是测试或研究对象的拷贝/移动行为，可以：

add_compile_options(/Od)

禁用规则总结：

NRVO
- GCC、MSVC 可以选择禁用，不受版本影响
URVO
- MSVC C++11 强制开启，无法禁用
- GCC C++17 强制开启，无法禁用
MSVC 会在 C++20 及以后版本强制执行 RVO (NRVO/URVO)，无法通过编译选项关闭。

GCC

C++11

NRVO:
Default Constructor
Move Constructor
Destructor
Move Constructor
Destructor
URVO:
Default Constructor
Move Constructor
Destructor
Destructor
Destructor

C++14

NRVO:
Default Constructor
Move Constructor
Destructor
Move Constructor
Destructor
URVO:
Default Constructor
Move Constructor
Destructor
Destructor
Destructor

C++17

NRVO:
Default Constructor
Move Constructor
Destructor
URVO:
Default Constructor
Destructor
Destructor

C++20

NRVO:
Default Constructor
Move Constructor
Destructor
URVO:
Default Constructor
Destructor
Destructor

MSVC