返回在堆中分配的实例与在堆栈中分配的实例

Returning instances allocated in the heap vs in the stack

本文关键字：实例 分配 堆栈 返回      更新时间：2023-10-16

距离我上次用c++写东西已经有很多年了。这些天，有人在一个学校的c++项目上向我寻求帮助，我对我所看到的语言的一个"特性"很感兴趣，这个特性工作得很好，但我预计它不会工作。

我记得，我可以在堆上或堆栈上创建类的实例:

int main() {
  MyClass *inHeap = new MyClass();
  MyClass inStack = MyClass();
}

据我所知，第一个变量 inHeap将使编译器在main堆栈帧中保留一些堆栈，足以容纳指针(4字节?8个字节?诸如此类)，它指向位于堆中的对象的实际实例。

同时，第二个变量 inStack将使编译器保留足够的堆栈来保存main堆栈帧中MyClass的完整实例。

现在，回到我的问题。假设我有一个函数，应该返回MyClass的实例。起初，我认为它只能返回堆中的实例: 
MyClass *createInHeap() {
  return new MyClass();
}
int main() {
  MyClass* inHeap = createInHeap();
}

但是我看到的是:

MyClass createInStack() {
  MyClass c = MyClass();
  return c;
}
int main() {
  MyClass inStack = createInStack();
}

这到底是怎么回事?

  • MyClass实例的内存是否保留在createInStack的堆栈帧中?如果是这种情况，当函数createInStack返回时，这段代码会强制将实例复制到main的堆栈帧吗?这个复制是如何执行的，即，它只是在main函数中自动调用复制构造函数吗?

  • 我想到的另一种可能性是编译器足够聪明，已经为main堆栈框架中的MyClass实例保留了内存。这存在吗?这是某种优化来避免可能昂贵的复制吗?

作为最后一个问题，当我在堆栈中创建实例时，它的析构函数究竟在什么时候被调用?创建它的作用域何时结束?

如果你正在做这样的事情:

MyClass createInStack() 
{
  MyClass return_value;
  return return_value;
}
int main() 
{
  MyClass inStack = createInStack();
}

那么是的，c在逻辑上是在createInStack()的堆栈上创建的，然后它的一个副本在逻辑上返回，然后在main中复制到inStack。

有一个常见的误解，认为按值返回是低效的，因为所有这些逻辑复制。然而，由于命名返回值优化，这在实践中并不是实际发生的。调用函数中的构造步骤只是延迟到被调用函数。它应该是这样的(伪代码):

void createInStack(MyClass &return_value)
{
  return_value.MyClass(); // construct return_value (not actually valid syntax)
}
int main()
{
  MyClass inStack; // except don't call the constructor
  createInStack(inStack);
}

正如你所看到的，没有实际的复制发生。

此外，编译器可能会进行其他优化。它甚至可能决定永远不使用inStack，只是不创建它，但您可以非常肯定，至少命名返回值优化将避免大量复制。

还应该指出，调用new并不是一个没有成本的操作。它可能有很大的开销，而且它肯定比在堆栈上进行本地复制使用更多的内存——当然，delete必须由程序员处理和记住，并且也将花费超过零的时间。

所以，像往常一样，这是一个更好的设计决策，并理解正在发生的事情(以及理解"返回值优化"已经在前面的答案中涵盖)。一个非常大的类将花费很长时间来复制，但是一个只有几个值的小类在堆栈上复制可能比分配和释放它更快。

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