【C++】C++函数需要有返回值，但非全分支return（RVO）

小灰灰 2023-06-07 12:16 40阅读 0赞

今天在`review`以前的代码的时候，遇到了一个比较奇怪的现象，函数的有返回值，但只在`if`后面有`return`，`else`后面忘写了。但这个版本的代码已经调试验证通过了，没有问题的，这就很怪异。

## 考验一道题 ##

下面这道题`Print`的内容是什么？

# include <iostream>
    
    class Test { 
      public:
        Test (int xx, std::string yy) { 
          x = xx;
          y = yy;
        }
        int x;
        std::string y;
        void Print() { 
          std::cout << "x : " << x << " y : " << y << std::endl;
        }
    };
    
    Test fun(bool flag) { 
      Test t (0, "0");
      if (flag) { 
        t.x = 1;
        t.y = "1";
        return t;
      } else { 
        t.x = -1;
        t.y = "-1";
      }
    }
    
    int main(int argc, char const *argv[])
    { 
      Test t = fun(false);
      t.Print();
    
      return 0;
    }

编译并运行：

g++ test.cpp -o test
    ./test

可能你也能猜到最终的结果：

x : -1 y : -1

也可能会疑问，在`fun`函数的`else`语句中并没有提供返回值啊？为什么还能有输出么？或者，会问函数的`return`语句不全，不是应该报错么？

## 函数的返回值 ##

### 没有return语句 ###

如果一个函数需要有返回值，但是没有`return`语句，这会出现什么？

# include <iostream>
    
    class Test { 
      public:
        Test (int xx, std::string yy) { 
          x = xx;
          y = yy;
        }
        int x;
        std::string y;
        void Print() { 
          std::cout << "x : " << x << " y : " << y << std::endl;
        }
    };
    
    Test fun(bool flag) { 
      Test t (0, "0");
      if (flag) { 
        t.x = 1;
        t.y = "1";
      } else { 
        t.x = -1;
        t.y = "-1";
      }
    }
    
    int main(int argc, char const *argv[])
    { 
      Test t = fun(false);
      t.Print();
    
      return 0;
    }

编译并运行：

g++ test.cpp -o test
    ./test

编译没有任何问题，但是在运行的时候出现了错误：

x : 2 y : H��H9�u�H�[]A\A]A^A_Ðf.���H�H��x :  y : 01-1;d
                                                                   ����h����^���h���������U����j�������� <���Hh��������@zRx
                                                                                                                                          �����*zRx
                                                                                                                                                            �$
    *** Error in `./test': munmap_chunk(): invalid pointer: 0x000000000040112d ***
    ======= Backtrace: =========
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(+0x777e5)[0x7f4648daf7e5]
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(cfree+0x1a8)[0x7f4648dbc698]
    ./test[0x4010d0]
    ./test[0x400f56]
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf0)[0x7f4648d58830]
    ./test[0x400d09]
    ======= Memory map: ========
    00400000-00402000 r-xp 00000000 08:01 263039                             /home/yngzmiao/test/test/test
    00601000-00602000 r--p 00001000 08:01 263039                             /home/yngzmiao/test/test/test
    00602000-00603000 rw-p 00002000 08:01 263039                             /home/yngzmiao/test/test/test
    01656000-01688000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]
    7f4648a2f000-7f4648b37000 r-xp 00000000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7f4648b37000-7f4648d36000 ---p 00108000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7f4648d36000-7f4648d37000 r--p 00107000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7f4648d37000-7f4648d38000 rw-p 00108000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7f4648d38000-7f4648ef8000 r-xp 00000000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7f4648ef8000-7f46490f8000 ---p 001c0000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7f46490f8000-7f46490fc000 r--p 001c0000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7f46490fc000-7f46490fe000 rw-p 001c4000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7f46490fe000-7f4649102000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7f4649102000-7f4649118000 r-xp 00000000 08:01 5247842                    /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
    7f4649118000-7f4649317000 ---p 00016000 08:01 5247842                    /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
    7f4649317000-7f4649318000 rw-p 00015000 08:01 5247842                    /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
    7f4649318000-7f464948a000 r-xp 00000000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7f464948a000-7f464968a000 ---p 00172000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7f464968a000-7f4649694000 r--p 00172000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7f4649694000-7f4649696000 rw-p 0017c000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7f4649696000-7f464969a000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7f464969a000-7f46496c0000 r-xp 00000000 08:01 5247776                    /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
    7f464989d000-7f46498a3000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7f46498be000-7f46498bf000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7f46498bf000-7f46498c0000 r--p 00025000 08:01 5247776                    /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
    7f46498c0000-7f46498c1000 rw-p 00026000 08:01 5247776                    /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
    7f46498c1000-7f46498c2000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7ffc906a9000-7ffc906ca000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
    7ffc90796000-7ffc90799000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
    7ffc90799000-7ffc9079b000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
    ffffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]
    已放弃 (核心已转储)

也就是说，**如果一个函数声明或定义了有返回值，那么就必须要有return语句**！

那么，如果出现了分支语句，必须保证所有的出口都必须有`return`么？也就是本文开始提出的那个问题。当然，答案也已经被证明出来了，并不需要。

### 非全出口return语句 ###

在正式解释之前，再看一个例子：

# include <iostream>
    
    class Test { 
      public:
        Test (int xx, std::string yy) { 
          x = xx;
          y = yy;
        }
        int x;
        std::string y;
        void Print() { 
          std::cout << "x : " << x << " y : " << y << std::endl;
        }
    };
    
    Test fun(bool flag) { 
      if (flag) { 
        Test t (0, "0");
        t.x = 1;
        t.y = "1";
        return t;
      } else { 
        Test t (0, "0");
        t.x = -1;
        t.y = "-1";
      }
    }
    
    int main(int argc, char const *argv[])
    { 
      Test t = fun(false);
      t.Print();
    
      return 0;
    }

编译并运行：

g++ test.cpp -o test
    ./test

编译没有任何问题，但是在运行的时候出现了错误：

x : 2 y : H��H9�u�H�[]A\A]A^A_Ðf.���H�H��x :  y : 01-1;l
                                                                  ����h����^����^���������"���8�������(
    ���P*���ph��� ����hzRx
                                   �����*zRx
    
    *** Error in `./test': munmap_chunk(): invalid pointer: 0x00000000004012ad ***
    ======= Backtrace: =========
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(+0x777e5)[0x7f4ad9fd07e5]
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(cfree+0x1a8)[0x7f4ad9fdd698]
    ./test[0x40121e]
    ./test[0x4010a3]
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf0)[0x7f4ad9f79830]
    ./test[0x400d89]
    ======= Memory map: ========
    00400000-00402000 r-xp 00000000 08:01 262629                             /home/yngzmiao/test/test/test
    00601000-00602000 r--p 00001000 08:01 262629                             /home/yngzmiao/test/test/test
    00602000-00603000 rw-p 00002000 08:01 262629                             /home/yngzmiao/test/test/test
    011d1000-01203000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]
    7f4ad9c50000-7f4ad9d58000 r-xp 00000000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7f4ad9d58000-7f4ad9f57000 ---p 00108000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7f4ad9f57000-7f4ad9f58000 r--p 00107000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7f4ad9f58000-7f4ad9f59000 rw-p 00108000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7f4ad9f59000-7f4ada119000 r-xp 00000000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7f4ada119000-7f4ada319000 ---p 001c0000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7f4ada319000-7f4ada31d000 r--p 001c0000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7f4ada31d000-7f4ada31f000 rw-p 001c4000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7f4ada31f000-7f4ada323000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7f4ada323000-7f4ada339000 r-xp 00000000 08:01 5247842                    /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
    7f4ada339000-7f4ada538000 ---p 00016000 08:01 5247842                    /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
    7f4ada538000-7f4ada539000 rw-p 00015000 08:01 5247842                    /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
    7f4ada539000-7f4ada6ab000 r-xp 00000000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7f4ada6ab000-7f4ada8ab000 ---p 00172000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7f4ada8ab000-7f4ada8b5000 r--p 00172000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7f4ada8b5000-7f4ada8b7000 rw-p 0017c000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7f4ada8b7000-7f4ada8bb000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7f4ada8bb000-7f4ada8e1000 r-xp 00000000 08:01 5247776                    /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
    7f4adaabe000-7f4adaac4000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7f4adaadf000-7f4adaae0000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7f4adaae0000-7f4adaae1000 r--p 00025000 08:01 5247776                    /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
    7f4adaae1000-7f4adaae2000 rw-p 00026000 08:01 5247776                    /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
    7f4adaae2000-7f4adaae3000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7ffeaa7a8000-7ffeaa7c9000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
    7ffeaa7fa000-7ffeaa7fd000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
    7ffeaa7fd000-7ffeaa7ff000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
    ffffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]
    已放弃 (核心已转储)

和第二例没有`return`的语句一样，也出现了类似的错误。但这段程序是有`return`语句的啊！

细细分析代码的区别，其实可以发现，**分支中没有return分支的函数出口，好像有一个默认的返回值，就是有return语句分支的返回值变量的所在地址**！

第一例中，`else`语句尽管没有`return`语句，但是返回了一个与`if`语句中`return`的同一个变量地址的内容；而第三例中，`else`语句中并没有`if`语句中`return`的同一变量地址的内容(栈被释放了)！

当然，这些都是通过区分代码得到的浅显的认知，但这究竟是什么原因呢？

### 编译器的锅(RVO) ###

一般来说，为了从一个函数得到运行结果，常规的途径有两个：**通过返回值和通过传入函数的引用或指针**。

当通过返回值的时候，如果是类的对象或指针的时候，需要注意**拷贝构造函数**！

拷贝构造函数通常有三种使用场景：

1.  用一个对象初始化另一个对象；
2.  函数的形参与实参结合时；
3.  函数返回时，栈上对象复制到返回值中时。

也就是说，**当函数返回时，需要将栈上的对象通过拷贝构造函数，复制到调用该函数的返回值中去**。即，把`return t`的`t`复制到`Test t = fun(false)`的`t`中去。

而`RVO(C++的返回值优化)`是指：**C++标准允许一种(编译器)实现省略创建一个只是为了初始化另一个同类型对象的临时对象。基本手段是直接将返回的对象构造在调用者栈帧上，这样调用者就可以直接访问这个对象而不必复制**。指定这个参数(`-fno-elide-constructors`)将关闭这种优化，强制`G++`在所有情况下调用拷贝构造函数。

现在就清楚了，当函数有一个`return`后，就会将该`return`的对象直接构造在调用者栈上，就不需要走`return`的拷贝构造函数。

当然可以试验一下，利用`-fno-elide-constructors`关闭优化：

编译并运行：

g++ -fno-elide-constructors test.cpp -o test
    ./test

编译没有任何问题，但是在运行的时候出现了错误：

*** Error in `./test': munmap_chunk(): invalid pointer: 0x00000000004012bd ***
    ======= Backtrace: =========
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(+0x777e5)[0x7fdcb3df47e5]
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(cfree+0x1a8)[0x7fdcb3e01698]
    ./test[0x401228]
    ./test[0x40105d]
    /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf0)[0x7fdcb3d9d830]
    ./test[0x400d89]
    ======= Memory map: ========
    00400000-00402000 r-xp 00000000 08:01 262629                             /home/yngzmiao/test/test/test
    00601000-00602000 r--p 00001000 08:01 262629                             /home/yngzmiao/test/test/test
    00602000-00603000 rw-p 00002000 08:01 262629                             /home/yngzmiao/test/test/test
    00f88000-00fba000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]
    7fdcb3a74000-7fdcb3b7c000 r-xp 00000000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7fdcb3b7c000-7fdcb3d7b000 ---p 00108000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7fdcb3d7b000-7fdcb3d7c000 r--p 00107000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7fdcb3d7c000-7fdcb3d7d000 rw-p 00108000 08:01 5247874                    /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.23.so
    7fdcb3d7d000-7fdcb3f3d000 r-xp 00000000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7fdcb3f3d000-7fdcb413d000 ---p 001c0000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7fdcb413d000-7fdcb4141000 r--p 001c0000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7fdcb4141000-7fdcb4143000 rw-p 001c4000 08:01 5247804                    /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so
    7fdcb4143000-7fdcb4147000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7fdcb4147000-7fdcb415d000 r-xp 00000000 08:01 5247842                    /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
    7fdcb415d000-7fdcb435c000 ---p 00016000 08:01 5247842                    /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
    7fdcb435c000-7fdcb435d000 rw-p 00015000 08:01 5247842                    /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
    7fdcb435d000-7fdcb44cf000 r-xp 00000000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7fdcb44cf000-7fdcb46cf000 ---p 00172000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7fdcb46cf000-7fdcb46d9000 r--p 00172000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7fdcb46d9000-7fdcb46db000 rw-p 0017c000 08:01 2099340                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.21
    7fdcb46db000-7fdcb46df000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7fdcb46df000-7fdcb4705000 r-xp 00000000 08:01 5247776                    /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
    7fdcb48e2000-7fdcb48e8000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7fdcb4903000-7fdcb4904000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7fdcb4904000-7fdcb4905000 r--p 00025000 08:01 5247776                    /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
    7fdcb4905000-7fdcb4906000 rw-p 00026000 08:01 5247776                    /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.23.so
    7fdcb4906000-7fdcb4907000 rw-p 00000000 00:00 0 
    7ffe40205000-7ffe40226000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
    7ffe40320000-7ffe40323000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
    7ffe40323000-7ffe40325000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
    ffffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]
    已放弃 (核心已转储)

也就是说，确实是因为`RVO(C++的返回值优化)`的原因。

当然，**保证每个分支出口都有return才是最重要的**！

### 相关阅读 ###

[【C++踩坑】说说g++的-fno-elide-constructors参数][C_g_-fno-elide-constructors]  
[C++的返回值优化(RVO，Return Value Optimization)][C_RVO_Return Value Optimization]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

[C_g_-fno-elide-constructors]: https://blog.csdn.net/XiyouLinux_Kangyijie/article/details/78939291
[C_RVO_Return Value Optimization]: https://blog.csdn.net/imred/article/details/85492788
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230601/0c49046bd7744e6bbcb028c9a099118b.png