C++：为啥对于内置（即类 C）类型，按值传递通常比按引用传递更有效

Posted 2023-02-25

【中文标题】C++：为啥对于内置（即类 C）类型，按值传递通常比按引用传递更有效

【英文标题】：C++: Why pass-by-value is generally more efficient than pass-by-reference for built-in (i.e., C-like) typesC++：为什么对于内置（即类 C）类型，按值传递通常比按引用传递更有效

【发布时间】：2011-07-17 20:09:18

【问题描述】：

正如标题所示

【参考方案1】：

编译器供应商通常会将引用实现为指针。指针的大小往往与许多内置类型相同或更大。对于这些内置类型，无论您是按值传递还是通过引用传递，都将传递相同数量的数据。 在函数中，为了获取实际数据，您需要取消引用这个内部指针。这可以向生成的代码添加一条指令，并且您还将拥有 两个 可能不在缓存中的内存位置。差异不会太大 - 但可以在紧密的循环中进行测量。

编译器供应商可以选择在用于内置类型时忽略 const 引用（有时也包括非 const 引用） - 这一切都取决于编译器在处理函数及其调用者时可用的信息.

【讨论】：

值得注意的是，对于内联函数，按引用传递有时比按值传递要快一些，因为可以简单地将传入的左值替换为参数。在某些情况下，当编译器无法改变语义时，它可能能够替换传递引用，但要知道这种替换何时会改变代码语义并不总是那么容易。

【参考方案2】：

对于 int、char、short 和 float 等 pod 类型，数据的大小与传入以引用实际数据的地址相同（或更小）。在引用的地址查找值是不必要的步骤，并且会增加额外的成本。

例如，取如下函数foo和bar

void foo(char& c) ...
void bar(char c) ...

当foo 被调用时，地址将通过 32 位或 64 位的值传递，具体取决于您的平台。当您在 foo 中使用 c 时，您需要查找传入地址中保存的数据的值。

当调用bar时传入一个char大小的值，没有地址查找开销。

【讨论】：

通常较小类型的实际传递数据将对应于 CPU 的本机字长。

@Erik: 当它没有（char）时，它不是提升为更广泛的类型（16 位）以便通过寄存器传递吗？

@Matthieu M.：对于寄存器，它通常也被提升为全尺寸——在 x86 32 机器上，它会被传入，例如EAX 不是 AX 或 AH/AL，EAX 更快。当然，这一切都取决于编译器

【参考方案3】：

在实践中，C++ 实现通常通过在底层传递一个指针来实现传递引用（假设调用不是内联的）。

因此，没有什么聪明的机制可以让按引用传递更快，因为传递指针并不比传递小值快。一旦你在函数中，按值传递也可以从更好的优化中受益。例如：

int foo(const int &a, int *b) 
    int c = a;
    *b = 2;
    return c + a;

就编译器所知，b 指向a，这称为“别名”。如果a 是按值传递的，则此函数可以优化为等效于*b = 2; return 2*a;。在现代 CPU 的指令流水线中，这可能更像是“开始 a 加载，开始 b 存储，等待 a 加载，乘以 2，等待 b 存储，返回”，而不是“开始 a 加载，开始 b 存储” ，等待 a 加载，等待 b 存储，开始加载，等待 a 加载，将 a 添加到 c，返回”，然后您开始了解为什么混叠的可能性会对性能产生重大影响。在某些情况下，如果不一定会在这一方面产生巨大影响。

当然，别名仅在它改变函数对某些可能输入的效果的情况下才会阻碍优化。但仅仅因为您对该函数的意图是别名不应影响结果，并不一定意味着编译器可以假设它不会：有时实际上，在您的程序中，不会发生别名，但编译器不会不知道。并且不必有第二个指针参数，只要你的函数调用优化器“看不到”的代码，它就必须假设任何引用都可以改变。