C++ Cortex-M4中按值传递对象为何生成更小汇编代码？

我在Cortex-M4平台测试C++引用特性时发现，将函数参数从引用传递改为按值传递后，生成的汇编代码体积更小，且这个现象是在为Foo结构体添加更多成员后出现的。同时我还想了解引用是否能被编译器完全优化。以下是测试代码及汇编输出：

引用传递版本代码 #

struct Foo
{
    int x;
    int y;
    int bar[128];
    float f;
    float b;
    char hello;
    int * i;
};

Foo &getFoo(void)
{
    static Foo _f;
    return _f;
}

void passFoo(Foo& f)
{
    f.x = 0;
    return;
}

int main(void)
{
    Foo & f = getFoo();
    passFoo(f);
}

引用传递版本汇编输出 #

getFoo():
        ldr     r0, .L3
        bx      lr
.L3:
        .word   .LANCHOR0
passFoo(Foo&):
        movs    r3, #0
        str     r3, [r0]
        bx      lr
main:
        ldr     r3, .L7
        movs    r0, #0
        str     r0, [r3]
        bx      lr
.L7:
        .word   .LANCHOR0

按值传递版本代码 #

struct Foo
{
    int x;
    int y;
    int bar[128];
    float f;
    float b;
    char hello;
    int * i;
};

Foo &getFoo(void)
{
    static Foo _f;
    return _f;
}

void passFoo(Foo f)
{
    f.x = 0;
    return;
}

int main(void)
{
    Foo & f = getFoo();
    passFoo(f);
}

按值传递版本汇编输出 #

getFoo():
        ldr     r0, .L3
        bx      lr
.L3:
        .word   .LANCHOR0
passFoo(Foo):
        sub     sp, sp, #16
        stm     sp, {r0, r1, r2, r3}
        add     sp, sp, #16
        bx      lr
main:
        movs    r0, #0
        bx      lr

问题解答 #

1. 汇编体积差异的原因 #

• 按值传递的死代码消除：按值传递版本中，passFoo修改的是传入的Foo副本，这个副本是局部变量，修改后没有任何后续使用（既不返回也不影响外部状态）。编译器直接触发了死代码消除优化：
  • main中原本需要拷贝整个大结构体到passFoo的参数，但因为passFoo的操作完全无意义，编译器直接删除了结构体拷贝和passFoo调用的所有相关代码，main仅保留最简的返回逻辑。
  • 而引用传递版本中，passFoo直接修改全局静态Foo的x成员，这个操作会改变外部可见状态，编译器无法消除该操作，因此main中必须保留对静态Foo地址的访问和赋值指令。
• 结构体大小的触发条件：当Foo较小时，按值传递的拷贝操作开销不大，编译器可能不会做这么激进的消除；但当结构体足够大时，编译器更容易识别到“拷贝大结构体+无意义修改”的冗余性，从而彻底消除整个调用链的冗余代码，最终生成的代码比引用传递版本更短。

2. 引用能否被编译器完全优化 #

引用在C++标准中是对象的别名，底层通常由指针实现，但在很多场景下编译器可以做到完全优化：

• 当引用的生命周期和指向对象的生命周期完全可被编译器追踪时（比如局部引用绑定到局部变量），编译器会直接把引用替换为原对象，不需要额外的指针操作。
• 但如果引用跨函数传递（如作为函数参数），编译器需要遵守ABI约定传递指针（引用的底层实现）；如果操作有副作用（比如修改外部对象），这些指针操作无法消除；如果没有副作用，可能会结合死代码消除等优化去掉冗余部分，但这不是引用本身的优化，而是整体代码的冗余消除。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者MrBit