c++ - C++：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

Question

正如标题中所指出的那样

Answer 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 - 但可以在紧密循环中测量。

当它们用于内置类型时，编译器供应商可以选择忽略 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。

Answer 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一个不必要的步骤，并增加了额外的成本。

例如，采用以下函数foo和bar

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

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

调用时bar传入一个 char 大小的值，并且没有地址查找开销。

Answer 3

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

所以没有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;
}

编译器都知道，b指向a，这称为“别名”。已经a通过值传递，这个函数可以优化到等价于*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潜在的混叠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，混叠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，只要您的函数调用优化器“看不到”的代码，它就必须假设任何引用都可能更改。