C++ 底層實作

今天心血來潮（沒錯，高微暫時擱在一旁 XD），寫了個簡單的函式讓 g++ 編譯但不組譯。函式如下：

int f(int& r) {
  return r;
}

g++ 編譯的結果是：

 .file "test_r.cpp"
 .text
 .align 2
.globl __Z1fRi
 .def __Z1fRi; .scl 2; .type 32; .endef
__Z1fRi:
    pushl  %ebp
    movl   %esp, %ebp
    movl   8(%ebp), %eax
    movl   (%eax), %eax
    popl   %ebp
    ret

唔，馬上看到和 masm 不同的幾個地方（後來查到這是 AT&T syntax）：register 的名字前面全部冠以 '%'，push、mov 等指令後面全部多了 'l'（這代表操作為 32-bit），[ebp + 8] 變成 8(%ebp)，最有趣的當然是雙引數指令的 destination 和 source 順序 ─ 剛好和 masm 相反 XD。也看到《Inside the C++ Object Model》所講的 function name mangling（__Z1fRi）。翻譯成 masm 並加上註釋：

__Z1fRi:                  ; C++ function name mangling
    ; next 2 lines build up the stack frame
    push  ebp
    mov   ebp, esp
    mov   eax, [ebp + 8]  ; copy the first parameter into eax
    mov   eax, [eax]      ; dereference eax and store the result in eax
                          ; eax is the return value
    ; clear stack frame
    ; arguments are cleared by the caller
    pop ebp
    ret

然後我讓 f 改而接收 int* 參數，編譯出來完全一樣（除了 mangled name），可見 reference 底層實作與 pointer 相同。在這個層次就可直觀看出，傳遞基本型別參數時，以 by value 方式傳遞會比 by reference 方式還快，因為前者少了 deference 的動作。

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哇，高微！XD

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又做一個實驗，看看 pass struct by value 時是否真的是 by value：

struct S {
  int a[5];
};

int f(S s) {
  return s.a[2];
}

g++ 給我的是：

__Z1f1S:
    pushl  %ebp
    movl   %esp, %ebp
    movl   16(%ebp), %eax
    popl   %ebp
    ret

顯然整個 array 就在 stack 上，確確實實是 pass by value。

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繼續做實驗，看看 return struct by value 的狀況：

struct S {
  int i, j, k;
  S(int a, int b, int c): i(a), j(b), k(c) { }
};

S f() {
  return S(1, 2, 3);
}

g++ 開 O3 最佳化後的結果如下：

__Z1fv:
    pushl  %ebp
    movl   %esp, %ebp
    movl   8(%ebp), %eax    ; "first parameter" as a pointer
    movl   $1, (%eax)
    movl   $2, 4(%eax)
    movl   $3, 8(%eax)
    popl   %ebp
    ret    $4               ; "first parameter" cleared by the callee

當 S 內含一個 int 時，return value 放在 eax；當 S 內含兩個 int，return value 放在 eax 和 edx；當 S 內含三個 int（即上例），事情就生變了 ─《Inside the C++ Object Model》p.63 所講的手法活生生在眼前上演！g++ 將 S f() 改為 void f(S&)，直接把初值填在第一參數所指向的空間！哇，太好玩了 XD！

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好了，可以睡了 XD。