C++从汇编的视角审视对象的创建问题

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时间:2022-08-07
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前言

很久以前阅读了 CSAPP 这本书,可惜看过的东西基本都忘记了,只知道一些工具可以帮助我分析。今天突然对 “返回对象的函数” 很感兴趣,于是分析了一下汇编。

返回对象的函数如下,现在有一种叫做 NRV 优化的技术可以避免低效率,如果把它关掉,它将会执行以下过程:创建一个对象 apple,然后返回一个 apple,发生一次拷贝构造函数,所以存在执行效率问题;如果你还写了 Apple a = GetApple();,那么还将会发生一次赋值拷贝构造。

Apple GetApple() {
	Apple apple{};
	return apple;
}

代码:

class Apple {
public:
	Apple() {
	}
	~Apple() {
	}
	Apple(const Apple& apple) {
		this->a = apple.a;
		this->b = apple.b;
	}
	Apple& operator=(const Apple& apple) {
		this->a = apple.a;
		this->b = apple.b;
		return *this;
	}
  void Print() {
    cout << a << " " << b << endl;
  }

	int a = 1;
	int b = 2;
};

Apple GetApple() {
	Apple apple{};
	return apple;
}

构造函数的执行过程分析

构造函数的执行过程:即使是无参构造函数,调用之前仍然要传参。传入的是一个地址,需要在函数运行结束的时候,这个地址上有了一个对象。

main 函数如下:

int main() {
  Apple a;
  int x = a.a;
  x = 10;
  return 0;
}

生成的汇编代码:

# main 函数构造对象的地方:
	pushq	%rbp              # rbp 压栈
	movq	%rsp, %rbp        # rsp 替换 rbp
	pushq	%rbx              # rbx 压栈,保存现场
	subq	$24, %rsp         # rsp 自减 24,栈向下增长,相当于扩展 24 字节
	leaq	-24(%rbp), %rax   # 将地址赋值给 rax,rax 是 Apple 对象开始的地方
	movq	%rax, %rdi        # rdi 传参
	call	_ZN5AppleC1Ev
	movl	-28(%rbp), %eax   # 返回之后,会执行 int x = a.a;
	movl	%eax, -20(%rbp)   # 取第一个字节赋值给 x
	movl	$10, -20(%rbp)    # 直接使用 10 赋值给 x;写着行的目的只是为了确定 x 的位置

# 默认构造器:
	pushq	%rbp              # rbp 压栈
	movq	%rsp, %rbp        # rsp 替换 rbp
	movq	%rdi, -8(%rbp)    # rdi 是前面 rax 的值
	movq	-8(%rbp), %rax    # 设置 rax 为 rbp 减 8
	movl	$1, (%rax)        # 间接寻址,设置 4 字节为 1
	movq	-8(%rbp), %rax    # rax 其实还是一样的
	movl	$2, 4(%rax)       # 变址寻址,其实就是间接寻址加一个偏移量,设置 4 字节为 2
	nop
	popq	%rbp
	ret                       # 于是最终 rdi 开始,向下的 8 字节是 Apple 对象

返回对象函数的分析

从汇编的视角来看,调用构造器和调用 “返回对象” 的函数是一样的。它的执行过程是:即使是两个函数都是无参的,它仍然会进行一次传参。传入的是一个地址,需要在函数调用结束后,这个地址上有了一个对象。从汇编的角度来看,对象就是一堆数据的排列,比如说最普通的对象就是数据成员按照声明顺序直接排列。

举个实际点的例子。Apple 这个类,有两个成员,a 和 b。调用了构造器或者 “返回对象” 的函数,先传入一个地址,之后函数里面会在这个地址上存放两个数,分别是 a 和 b 的值,然后返回。此时,这个地址上就有了 a 和 b,虽然机器看不到对象,但是对我们来说,它就是一个对象。

如果关闭了 NRV 优化,那么首先会传入一个地址,然后构造一个对象,这个对象将会被拷贝构造到传入的地址上,返回。之后如果调用了一次赋值,那么还要将这个地址上的对象复制构造给栈上的变量。整个过程,实际上存在两个临时对象,发生了一次构造、一次复制构造、一次赋值构造。

main:
.LFB3535:
	pushq	%rbp
	movq	%rsp, %rbp
	pushq	%rbx
	subq	$40, %rsp
	leaq	-36(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN5AppleC1Ev
	movl	-36(%rbp), %eax
	movl	%eax, -20(%rbp)
	movl	$10, -20(%rbp)
	leaq	-28(%rbp), %rax    # 这里之前的汇编是一样的,调用 GetApple
	movq	%rax, %rdi         # rdi,传参
	call	_Z8GetApplev        
	leaq	-28(%rbp), %rdx    # rax 已经存放对象,-28 的位置有对象
	leaq	-36(%rbp), %rax
	movq	%rdx, %rsi
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN5AppleaSERKS_
	leaq	-28(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN5AppleD1Ev
	movl	$0, %ebx
	leaq	-36(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN5AppleD1Ev
	movl	%ebx, %eax
	addq	$40, %rsp
	popq	%rbx
	popq	%rbp

# GetApple 函数的汇编代码
	pushq	%rbp
	movq	%rsp, %rbp
	subq	$32, %rsp
	movq	%rdi, -24(%rbp)    # 分配空间,然后将传过来的 rdi 放进去
	leaq	-8(%rbp), %rax     
	movq	%rax, %rdi         # 前面分析过了,调用回来时 rax 开始的 8 字节就是对象
	call	_ZN5AppleC1Ev
	leaq	-8(%rbp), %rdx     # 取 rax 地址到 rdx
	movq	-24(%rbp), %rax    # 取 rdi 地址到 rax
	movq	%rdx, %rsi         # rsi 已经有对象了
	movq	%rax, %rdi         # rsi 和 rdi 都用来传参          
	call	_ZN5AppleC1ERKS_   # 调用拷贝构造函数
	leaq	-8(%rbp), %rax     # rax 上有对象了
	movq	%rax, %rdi         # rdi 传参,准备调用析构函数
	call	_ZN5AppleD1Ev
	nop
	movq	-24(%rbp), %rax    # 前面调用拷贝构造前的地址,这个地址有对象了
	leave
	ret

# 拷贝构造函数
	pushq	%rbp
	movq	%rsp, %rbp
	movq	%rdi, -8(%rbp)    # rdi 无对象
	movq	%rsi, -16(%rbp)   # rsi 有对象
	movq	-16(%rbp), %rax   # 把对象放到 rax
	movl	(%rax), %edx      # 把第一属性(4 字节)移动到 edx
	movq	-8(%rbp), %rax
	movl	%edx, (%rax)      # 把第一属性移动到 rdi
	movq	-16(%rbp), %rax
	movl	4(%rax), %edx     # 把第二属性移动到 edx
	movq	-8(%rbp), %rax
	movl	%edx, 4(%rax)     # 把第二属性移动到 rdi 上
	movq	-8(%rbp), %rax    # rdi 上有了对象,rax 也设置一个
	popq	%rbp
	ret
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