C++ make_tuple返回值类型，会有效率问题吗？

C++ `make_tuple` 的返回值类型：效率上的考量

在 C++ 中，`std::make_tuple` 是一个非常有用的工具，它能够方便地创建 `std::tuple` 对象。当你调用 `make_tuple(a, b, c)` 时，编译器会根据传入参数的类型自动推导出 `std::tuple` 的具体类型。例如，如果 `a` 是 `int`，`b` 是 `double`，`c` 是 `std::string`，那么 `make_tuple` 的返回值类型就是 `std::tuple`。

那么，这种自动推导的返回值类型，在效率上是否存在潜在的问题呢？答案是，通常情况下，`make_tuple` 的返回值类型在效率上并不会带来显著的负面影响，甚至在某些情况下，它还能提升效率。

让我们深入分析一下：

`make_tuple` 的工作原理和效率

1. 类型推导与实例化： `make_tuple` 的核心在于 `decltype` 和模板推导。它会直接根据你传入的参数的实际类型，实例化一个 `std::tuple`。这意味着，编译器知道 `tuple` 中每个元素的准确类型和内存布局。

例如，当你写：

```c++
auto myTuple = std::make_tuple(1, 2.5, "hello");
```

编译器推导出的 `myTuple` 的类型是 `std::tuple`. `std::tuple` 本身是一个模板类，它在编译时就知道其内部各个元素的类型。

2. 内存布局： `std::tuple` 在内存中通常是顺序存储其元素的。这意味着，`tuple` 对象的大小就是其所有元素大小的总和（可能加上一些对齐填充）。编译器知道每个元素的类型，因此能够精确地计算出它们的偏移量，从而高效地访问它们。

例如，访问 `myTuple` 中的第一个元素 (`int`) 并不需要任何运行时查找或虚函数调用。它直接通过偏移量进行访问。

3. 避免不必要的拷贝： `make_tuple` 在创建 `tuple` 时，会尽可能地通过移动构造函数或拷贝构造函数将传入的参数“移入”或“拷贝入”`tuple`。如果传入的是右值（临时对象），则会使用移动构造，这通常比拷贝更高效，因为它避免了资源的重复分配。

```c++
std::string s = "world";
auto myTuple = std::make_tuple(10, s, std::move(s));
// s 在这里已经被移出，myTuple.get<1>() 拥有 s 的资源
```

在这个例子中，`std::move(s)` 确保了 `s` 的资源被移动到了 `tuple` 中，而不是被拷贝，这是一种效率上的优化。

效率上的担忧点（以及为什么它们通常不构成问题）

1. 类型信息的开销？
担忧： 有人可能会担心，`tuple` 存储了所有元素的类型信息，这会不会带来运行时开销？
解释： `std::tuple` 的类型信息是在编译时确定的。`std::tuple` 是一个模板特化，编译器会为每一种具体的类型组合生成专门的代码。访问 `tuple` 的元素是通过模板函数 `std::get(tuple_obj)` 完成的。`std::get` 的实现是通过模板参数 `N` 来确定访问哪个元素，并直接计算偏移量。这个过程是完全在编译时完成的，不会有任何运行时类型查找或动态分派的开销。
总结： 存储的类型信息实际上是编译时模板元编程的一部分，而不是运行时数据。

2. 虚拟继承或类型擦除？
担忧： `make_tuple` 的返回值类型是 `std::tuple`，这与例如 `std::any` 或 `std::variant` 的运行时类型信息存储机制是否类似，可能带来运行时开销？
解释： 完全不同。 `std::tuple` 不是基于类型擦除或运行时多态来实现的。它的所有成员都是直接存储在对象中，并且通过编译时确定的索引来访问。`std::any` 和 `std::variant` 则确实包含了运行时类型信息（RTTI），以便在运行时处理不同类型，这会带来一定的开销，但 `std::tuple` 没有这些机制。

3. 过大的 `tuple` 对象？
担忧： 如果 `tuple` 包含很多大型对象，会不会导致 `tuple` 对象本身非常大，从而影响栈分配和函数调用时的传递效率？
解释： 这是一个关于对象大小的普遍问题，而不是 `make_tuple` 特有的。`std::tuple` 的大小就是其成员大小的总和。如果一个 `tuple` 包含很多大型对象，那么它确实会占用更多内存。
函数参数传递： 在 C++ 中，如果一个对象太大，通过值传递它到函数时，可能会发生拷贝。然而，现代编译器通常会使用返回值优化 (RVO) 或 命名返回值优化 (NRVO) 来避免创建临时对象和不必要的拷贝。当 `make_tuple` 的结果直接作为函数返回值时，这种优化通常会生效。
引用传递： 如果你需要避免拷贝大型 `tuple`，你可以通过常量引用 (`const std::tuple<...>&`) 来传递它。
`std::move` 的影响： 如果 `make_tuple` 创建了一个右值，并且你将其用于需要右值的操作，那么移动语义会再次发挥作用，避免拷贝。
总结： `tuple` 的大小问题，以及如何高效地传递它，更多地是关于 C++ 的参数传递机制和优化，而不是 `make_tuple` 本身。

`make_tuple` 的优势

1. 代码简洁性： 相比手动声明 `std::tuple`，`std::make_tuple` 极大地简化了代码，尤其是当参数类型复杂或数量众多时。
2. 类型安全： 编译器会自动推导类型，减少了手动指定类型时可能出现的拼写错误或类型不匹配。
3. 支持移动语义： 如前所述，`make_tuple` 会利用移动语义，这对于包含可移动资源（如 `std::vector`、`std::string`）的 `tuple` 来说，效率更高。

什么时候需要注意？

明确的类型需求： 如果你希望 `tuple` 包含的某个元素被视为一个特定的基类类型（例如，为了通过指向基类的指针来访问，或者用于面向对象的参数化），那么 `make_tuple` 的自动推导可能不符合你的需求。在这种情况下，你可能需要显式指定类型，例如 `std::make_tuple(static_cast(derived_ptr))`。
避免隐式转换： `make_tuple` 会进行一些隐式转换。例如 `std::make_tuple(1, 2.0)` 会推导出 `std::tuple`。如果你期望的是 `std::tuple`，则需要显式转换。
大型 `tuple` 的传递： 如前所述，如果你的 `tuple` 包含大量或非常大的对象，并且你需要将这个 `tuple` 作为函数参数传递，考虑使用常量引用或根据具体场景优化传递方式。

结论

总而言之，`std::make_tuple` 的返回值类型在 C++ 中通常不会带来效率问题。它的设计是为了提供便利和类型安全，同时利用 C++ 的模板和移动语义特性来保证高效性。编译器在编译时就确定了 `tuple` 的具体类型和成员访问方式，这使得 `std::tuple` 的访问速度与直接使用结构体或数组非常接近。

真正的效率考量更多地集中在：

你向 `tuple` 中放入了什么类型的对象。
如何高效地传递和使用这个 `tuple`（例如，通过引用传递大型 `tuple`）。

`make_tuple` 本身是一个高效的构造工具，它允许你以更简洁、更安全的方式创建 `std::tuple`，而无需担心对性能造成负面影响。

网友意见

tuple是C++11开始引入的新的STL容器。其实从C++11开始，不止make_tuple()，其他函数你都不太需要再也把STL容器的临时对象按值返回会不会有性能问题。

类似的问题在StackOverflow上早有讨论。

我再来稍微展开一下，C++11开始当按值返回的时候，自动尝试使用move语义，而非拷贝语义，被称为copy elision（复制消除）。和楼主提到的具名返回值优化（NRVO或RVO）目的类似，都是提高C++函数返回时的效率，减少冗余的拷贝。RVO或NRVO在C++11之前便存在，C++11以后也同样存在。举个例子这段代码：

       #include <iostream> #include <vector> using namespace std; vector<int> foo(int n) {     vector<int> v;     for (int i = 1; i <= n; i++) {         v.push_back(i);     }     cout <<&v<<endl;     return v; }  int main() {     vector<int> v = foo(10);     cout <<&v<<endl; }      

使用C++98和C++11分别编译：

g++ rvo.cpp -std=c++98 -o 98.out
g++ rvo.cpp -std=c++11 -o 11.out

分别运行：

./98.out
0x7ffc680bf490
0x7ffc680bf490

./11.out
0x7ffc5e871300
0x7ffc5e871300

可以看出函数内的临时对象和函数外接收这个返回值的对象是同一个地址，也就是说没有产生拷贝构造（按C++11之前标准应该是拷贝构造）这一优化就是NRVO，这属于编译器厂商们自己做的优化（即使不开O1、O2这种优化，也会默认做）。广义上讲RVO和NRVO也是copy elision，但并不是C++标准要求的（C++17开始RVO和NRVO从优化建议，变成了标准中的强制要求）。而C++11标准开始要求另外一种copy elision（以下描述的copy elision特指这种）。

来我们关闭NRVO来看看，给g++加上一个参数 -fno-elide-constructors即可。

g++ rvo.cpp -std=c++98 -fno-elide-constructors -o 98.out
g++ rvo.cpp -std=c++11 -fno-elide-constructors -o 11.out

再执行看看：

./98.out
0x7ffc0988eac0
0x7ffc0988eb00

./11.out
0x7fff39efc750
0x7fff39efc790

去掉NRVO后，可以看到二者不是同一个对象了。但其实对于C++11的代码而言，这其中仍然有copy elision，也就是说会自动执行move语义，我们改下测试代码：

       #include <iostream> #include <vector> using namespace std; vector<int> foo(int n) {     vector<int> v;     for (int i = 1; i <= n; i++) {         v.push_back(i);     }     cout << "obj stack addr: "<< &v << " in foo" <<endl;     cout << "obj data  addr: "<< v.data() << " in foo" <<endl;     return v; }  int main() {     vector<int> v = foo(10);     cout << "obj stack addr: "<< &v << " in main" <<endl;     cout << "obj data  addr: "<< v.data() << " in main" <<endl; }      

然后重新携带 -fno-elide-constructors参数分别编译执行。

./98.out
obj stack addr: 0x7ffc1301c090 in foo
obj data addr: 0x55b81763af20 in foo
obj stack addr: 0x7ffc1301c0d0 in main
obj data addr: 0x55b81763b380 in main

./11.out
obj stack addr: 0x7ffeb4acac30 in foo
obj data addr: 0x556ecd26ef20 in foo
obj stack addr: 0x7ffeb4acac70 in main
obj data addr: 0x556ecd26ef20 in main

可以看出，尽管C++11去掉了NRVO以后，main函数中的对象v和foo函数中的对象v不是同一个。但他们中的data()指向的数据地址是同一个。也就是说C++11开始，你用函数按值返回一个STL容器，即使没有显式地加move，也会自动按move语义走，进行数据指针的修改，而不会拷贝全部的数据。

当然copy elision并不是只针对STL容器类型啦，所有有move语义的对象类型都可以。但当没有move语义时，如果去掉NRVO还是会执行拷贝的。

再看个自定义类型的代码：

       #include <iostream> #include <vector> using namespace std; class A { public:     A() {         cout << this << " construct " <<endl;         _data = new int[size];     }     A(const A& a) {         cout << this << " copy from " <<&a <<endl;         _data = new int[a._len];         for (size_t i = 0; i < a._len; i++) {             this->_data[i] = a._data[i];         }     }     ~A() {         if (_data) {             delete[] _data;         }     }     bool push_back(int e) {         if (_len == size) {             return false;         }         _data[_len++] = e;         return true;     }     int* data() {         return _data;     }     size_t length() {         return _len;     } private:     static const int size = 100;      int* _data = nullptr;     size_t _len = 0; }; A foo(int n) {     A a;     for (int i = 1; i <= n; i++) {         a.push_back(i);     }     cout << "obj stack addr: "<< &a << " in foo" <<endl;     //cout << "obj data  addr: "<< a.data() << " in foo" <<endl;     return a; }  int main() {     A a = foo(10);     cout << "obj stack addr: "<< &a << " in main" <<endl;     //cout << "obj data  addr: "<< a.data() << " in main" <<endl; }      

去掉NRVO用C++11编译。

g++ rvo.cpp -std=c++11 -fno-elide-constructors -o 11.out

执行：

./11.out
0x7ffcdca8fe80 construct
obj stack addr: 0x7ffcdca8fe80 in foo
0x7ffcdca8fec0 copy from 0x7ffcdca8fe80
0x7ffcdca8feb0 copy from 0x7ffcdca8fec0
obj stack addr: 0x7ffcdca8feb0 in main

可以看到由于我们自定义的类型A没有move语义，所以这里调用了拷贝构造函数，并且调用了两次。第一次是在foo函数内从具名的对象a，拷贝到临时变量作为返回值。第二次是从该返回值拷贝到main函数中的对象a。

我们来给他加上move构造函数：

       class A { public:     A() {         cout << this << " construct " <<endl;         _data = new int[size];     }     A(const A& a) {         cout << this << " copy from " <<&a <<endl;         _data = new int[a._len];         for (size_t i = 0; i < a._len; i++) {             this->_data[i] = a._data[i];         }     }     A(A&& a) {         cout << this << " move data from " <<&a <<endl;         _data = a._data;         a._data = nullptr;         // 或使用交换         // swap(_data, a._data);     }     ~A() {         if (_data) {             delete[] _data;         }     } ...      

重新编译：

g++ rvo.cpp -std=c++11 -fno-elide-constructors -o 11.out

然后运行：

0x7ffe84ad74c0 construct
obj stack addr: 0x7ffe84ad74c0 in foo
0x7ffe84ad7510 move data from 0x7ffe84ad74c0
0x7ffe84ad7500 move data from 0x7ffe84ad7510
obj stack addr: 0x7ffe84ad7500 in main

可以看调用到了move构造函数。

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