C++：从汇编的视角看对象的创建

前言的前言

之前写的太草了，估计只有我自己看得懂。这篇文章的出发点是从汇编的角度看对象的创建。首先，我们先思考一下，从汇编的视角看来，一个对象怎么创建呢？这个问题其实和结构体如何创建是类似的，在某段内存给相应的数据成员设置初始值；和结构体不同的是，类对象的创建需要调用构造函数。分析汇编代码，可以看到汇编中会将一个地址传给构造函数，然后构造函数在那个地址上将对象设置好。接下来，我们来思考另一个问题，函数返回一个对象。从汇编的视角来看，函数怎么返回一个对象呢？对象怎么返回？对象不像普通类型 int，可以直接放到寄存器作为返回值。那么它是如何返回的呢？原理和构造函数是类似的，将一个地址传进去，然后在那个地址上将对象构建好即可。有的朋友可能会说：不对，这是 NRV 优化后的代码。其实，关闭了 NRV 优化，产生的代码也是一样的。不然，你应该如何返回一个对象呢？NRV 优化开不开的区别在于：开启了 NRV 优化，传进去的地址正好是最终要存放对象的地址；关闭了 NRV 优化，传进去的地址是临时的，这是一个 “临时对象”，在这个临时地址上构建出一个对象之后，还要调用一次拷贝构造函数将对象复制到返回地址，最后还要再拷贝一次到最终存放对象的地址。这是区别，需要注意。

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