Return in Memory & URVO & NRVO

本篇博客代码示例来自：https://sigcpp.github.io/2020/06/08/return-value-optimization#9

函数返回的两种方式

GCC 中函数返回值有两种传递方式：寄存器返回和内存返回。

寄存器返回：适用于标量类型（int、double、指针等）以及较小的聚合类型，直接通过寄存器（如 RAX、XMM0）传回。

内存返回：对于较大的聚合类型或非平凡类型，调用方（caller）会在栈上分配空间，并将该地址作为隐藏参数传递给被调方（callee）。被调方直接将返回值构造在这个地址上，同时 ABI 规定函数返回时将该地址存入指定的返回寄存器（如 RAX）。

内存返回的决策条件

编译器通过以下两个关键条件决定是否采用内存返回（代码位于 function.cc 和 i386.cc）：

1. TREE_ADDRESSABLE（`function.cc:2112`）

当类型被标记为 TREE_ADDRESSABLE 时，强制使用内存返回：

非平凡可复制类型（non-trivially copyable）
带有虚函数的类（需要 vptr）
包含引用成员的结构体

即使只有 1 字节，也必须内存返回。

2. 平台大小限制（`i386.cc:4459` / `4439`）

x86-64 System V ABI：

整数类：需要超过 4 个整数寄存器（>32 字节）→ 内存返回
SSE 类：需要超过 8 个 SSE 寄存器（>128 字节）→ 内存返回
实际按寄存器数量判断（通过 examine_argument）

x86-64 Windows ABI：

普通聚合类型：大小不在 {1, 2, 4, 8} 字节范围内 → 内存返回
例外：__m128 等 16 字节向量类型可通过 XMM0 寄存器返回

最常见触发内存返回的情况：返回非平凡类型或大小超出平台限制的聚合体。

拷贝消除优化：URVO 与 NRVO

URVO（Unnamed Return Value Optimization）和 NRVO（Named Return Value Optimization）都是拷贝消除（Copy Elision）技术，区别在于：

URVO：针对匿名临时对象（如 return S();）
NRVO：针对具名局部变量（如 return s;）

URVO（匿名返回值优化）

原理：直接在隐藏指针指向的返回值槽中构造临时对象，省略从临时对象到返回值槽的拷贝。

Without URVO（无优化）

S get_B() {
    return S(); // 1. 在函数内默认构造临时对象
}               // 2. 拷贝构造到返回值槽（copy ctor）
                // 3. 析构临时对象

int main() {
    S s = get_B(); // 4. 用返回值初始化 s（可能还有拷贝）
}                  // 5. 析构 s

总计：1 次默认构造 + 2 次拷贝构造 + 2 次析构

With URVO（有优化）

S get_B() {
    return S(); // 1. 直接在返回值槽中默认构造
}

int main() {
    S s = get_B(); // s 直接引用返回值槽中的对象
}                  // 2. 析构 s

总计：1 次默认构造 + 1 次析构

NRVO（具名返回值优化）

原理：将函数内的具名局部变量直接映射到返回值槽（通过隐藏指针），在该位置直接构造对象。

关键限制：NRVO 只有在单一路径返回同一局部变量时才能生效。

为什么多路径返回不同变量无法 NRVO？

NRVO 的本质是将局部变量地址与返回值槽地址合二为一
不同局部变量在栈上位置不同，但返回值槽只有一个（由隐藏指针传入的固定地址）
编译器无法在编译时确定运行时哪个变量会被返回，因此无法预先建立映射关系

Without NRVO（无优化）

S get_C() {
    S s;       // 1. 默认构造局部变量 s
    s.i = 8;
    return s;  // 2. 拷贝构造到返回值槽（copy ctor）
}              // 3. 析构局部变量 s

int main() {
    S s = get_C(); // 4. 可能还有一次拷贝（视情况而定）
}                  // 5. 析构 s

总计：1 次默认构造 + 2 次拷贝构造 + 2 次析构

With NRVO（有优化）

S get_C() {
    S s;       // 1. 直接在返回值槽中构造 s（s 的地址就是返回值槽地址）
    s.i = 8;
    return s;  // 无拷贝，直接返回
}

int main() {
    S s = get_C(); // s 直接引用返回值槽中的对象
}                  // 2. 析构 s

总计：1 次默认构造 + 1 次析构

总结

特性	URVO	NRVO
适用对象	匿名临时对象（`return S();`）	具名局部变量（`return s;`）
路径要求	无限制	必须单一路径返回同一变量
优化时机	编译期确定	编译期确定（需 SSA 分析）
C++ 标准	强制要求（C++17 起）	可选优化