C++:为什么pass-by-value通常比内置(即类似C)类型的pass-by-reference更有效

Question

正如标题中所示

Answer 1

编译器供应商通常会将引用实现为指针.指针往往与许多内置类型相同或更大.对于这些内置类型,无论是通过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,为了获得实际数据,您需要取消引用此内部指针.这可以向生成的代码添加指令,并且您还将有两个可能不在缓存中的内存位置.差异不会太大 - 但它可以用紧密循环来衡量.

当编译器供应商在内置类型上使用时,它们可以选择忽略const引用(有时也可以忽略非const引用) - 所有这些都取决于编译器处理函数及其调用者时可用的信息.

Answer 2

对于诸如int,char,short和float之类的pod类型,数据的大小与传入以引用实际数据的地址的大小相同(或更小).在引用的地址处查找值是不必要的步骤并增加了额外的成本.

例如,采取以下功能foo和bar

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

当foo被称为地址由32位或者64位或价值传递,根据您的平台.当您c在内部使用时,foo您需要查找传入地址中保存的数据值的成本.

当调用barchar大小的值时,传入并且没有地址查找开销.

Answer 3

实际上，C++ 实现通常通过在底层传递指针来实现引用传递（假设调用不是内联的）。

因此，没有什么聪明的机制可以让引用传递更快，因为传递指针并不比传递小值更快。一旦进入函数，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;
}

据编译器所知，b指向a，这称为“别名”。通过a值传递，该函数可以优化为与*b = 2; return 2*a;. 在现代CPU的指令管道中，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 a 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潜在的别名会对性能产生重大影响。在某些情况下，即使不一定会产生巨大的影响。

当然，别名只会在它改变函数对某些可能输入的效果的情况下阻碍优化。但仅仅因为您对该函数的意图是别名不应该影响结果，并不一定意味着编译器可以假设它不会影响结果：有时事实上，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，每当您的函数调用优化器“看不到”的代码时，它都必须假设任何引用都可能发生变化。