C/C++C++11新特性：初探右值引用与转移语义

Posted 2022-12-02 mick_seu

参考自：右值引用与转移语义（李胜利）

C++11之前，右值是不能被引用的，最大限度就是用常量引用绑定一个右值，如 :

const int& a = 1;

为了与左值引用区分，右值引用 && 表示。如下：

#include <iostream>

void fun(int& i) 
	std::cout << "lvalue:" << i << std::endl;


void fun(int&& i) 
	std::cout << "rvalue:" << i << std::endl;


int main() 
	int a = 0;
	fun(a);
	fun(1);
	return 0;

输出：

lvalue:0
rvalue:1

可以发现，临时变量 1 使用了入参为右值引用的 fun 函数完成了函数调用。

右值引用的出现解决了C++11之前移动对象效率问题。下面用自定义的String类来初识转移语义。首先定义一个不带转移语义的普通类：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string.h>

class String 
	public:
		String() 
			std::cout << "String()" << std::endl;
		;
		String(const char* str) 
			len_ = strlen(str);
			Init(str);
			std::cout << "String(const char*)" << std::endl;
		
		String(const String& str) 
			len_ = str.len_;
			Init(str.data_);
			std::cout << "String(const String&)" << std::endl;
		
		String& operator= (const String& str) 
			if (this != &str) 
				len_ = str.len_;
				delete data_;
				Init(str.data_);
			
			std::cout << "operator=" << std::endl;
		
		~String() 
			if (data_)  delete data_; 
			std::cout << "~String()" << std::endl;
		

	private:
		void Init(const char* str) 
			data_ = new char[len_ + 1];
			memcpy(data_, str, len_);
			data_[len_] = '\\0';
		
		char* data_ = nullptr;
		uint32_t len_ = 0;
;

int main() 
	String a;
	a = String("hello");
	std::vector<String> vec;
	vec.push_back("world");

	return 0;

输出：

String()
String(const char*)	// 1
operator=		// 2
~String()
String(const char*)	// 3
String(const String&)	// 4
~String()
~String()
~String()

上述代码中，String(“hello”) 和 String(“world”) 都是临时对象，也就是右值。整个过程中，我们实际只需要２个对象，即只需要２次内存分配即可，实际确是４次，造成了没有意义的资源申请和释放的操作。如果能够直接使用临时对象已经申请的资源，既能节省资源，有能节省资源申请和释放的时间。这正是定义转移语义的目的。

巧的是：C++11后 vector提供了 emplace_back() 可以就地构造对象，从而减少一次拷贝构造。不过对于 a = String("hello") 我们还得借助转移语义。

下面给我们为 String 添加移动构造函数及移动拷贝赋值函数。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string.h>

class String 
	public:
		String() 
			std::cout << "String()" << std::endl;
		;
		String(const char* str) 
			len_ = strlen(str);
			Init(str);
			std::cout << "String(const char*)" << std::endl;
		
		String(const String& str) 
			len_ = str.len_;
			Init(str.data_);
			std::cout << "String(const String&)" << std::endl;
		
		String(String&& str) 						// 移动构造函数
			len_ = str.len_;
			data_ = str.data_;
			str.len_ = 0;
			str.data_ = nullptr;
			std::cout << "move String(const String&&)" << std::endl;
		
		String& operator= (const String& str) 
			if (this != &str) 
				len_ = str.len_;
				delete data_;
				Init(str.data_);
			
			std::cout << "operator=" << std::endl;
		
		String& operator= (String&& str) 				// 移动赋值函数
			if (this != &str) 
				len_ = str.len_;
				delete data_;
				data_ = str.data_;
				str.len_ = 0;
				str.data_ = nullptr;
			
			std::cout << "move operator=" << std::endl;
		
		~String() 
			if (data_)  delete data_; 
			std::cout << "~String()" << std::endl;
		

	private:
		void Init(const char* str) 
			data_ = new char[len_ + 1];
			memcpy(data_, str, len_);
			data_[len_] = '\\0';
		
		char* data_ = nullptr;
		uint32_t len_ = 0;
;

int main() 
	String a;
	a = String("hello");
	std::vector<String> vec;
	vec.push_back("world");

	return 0;

输出如下：

String()
String(const char*)		// 1
move operatro=
~String()
String(const char*)		// 2
move String(const String&&)
~String()
~String()
~String()

原先的拷贝构造函数和拷贝赋值函数的调用被移动函数替代，减少了两次构造过程，节省了资源，提高了程序运行的效率。

几个注意点：

1. 参数（右值）的符号必须是右值引用符号，即“&&”。
2. 参数（右值）不可以是常量，因为我们需要修改右值。
3. 参数（右值）的资源链接和标记必须修改。否则， 右值的析构函数就会释放资源。转移到新对象的资源也就无效了。

标准库函数 std::move

编译器只对右值引用才能调用转移构造函数和转移赋值函数，而所有命名对象都只能是左值引用，那么如何对左值使用移动函数，即把一个左值引用当做右值引用来使用，怎么做呢？标准库提供了函数 std::move，这个函数以非常简单的方式将左值引用转换为右值引用。

#include <iostream>

void fun(int& i) 
	std::cout << "lvalue:" << i << std::endl;


void fun(int&& i) 
	std::cout << "rvalue:" << i << std::endl;


int main() 
	int a = 0;
	fun(std::move(a));
	fun(1);
	return 0;

输出如下：

rvalue:0
rvalue:1

std::move在提高 swap 函数的的性能上非常有帮助，一般来说，swap函数的通用定义如下：

template <classT> swap(T& a, T& b) 

       T tmp(a);   // copy a to tmp 
       a = b;      // copy b to a 
       b = tmp;    // copy tmp to b 

有了 std::move，swap 函数的定义变为 :

template <classT> swap(T& a, T& b) 

       T tmp(std::move(a)); // move a to tmp 
       a = std::move(b);    // move b to a 
       b = std::move(tmp);  // move tmp to b 

通过 std::move，一个简单的 swap 函数就避免了 3 次不必要的拷贝操作。