C++ 11 右值引用以及std::move

Posted 2020-06-10

        转载请注明出处：http://blog.csdn.net/luotuo44/article/details/46779063

新类型：

         int和int&是什么？都是类型。int是整数类型，int&则是整数引用类型。相同int&&也是一个类型。两个引號&&是C++ 11提出的一个新的引用类型。记住，这是一个新的类型。默念10次吧。假设你记住这个新类型，那么非常多疑问都能迎刃而解。而且对《Effective Modern C++》说到的void f(Widget&& w)。就非常easy明确w是新类型的一个值。肯定是一个左值而不是右值，自然就不用去翻第二页了。

        出现了新类型。就像定义一个新类一样。自然有两件事接着要做：怎样初始化、函数匹配(依据參数类型匹配函数)。先看后者。

void fun(int &a)
{
    cout<<"int &a "<<a<<endl;
}

void fun(int &&a)
{
    cout<<"int &&a "<<a<<endl;
}


int main()
{
	int b = 3;
	fun(b);

	return 0;
}

        main函数中的fun(a)会匹配第一个fun函数。由于第二个fun的參数是int右值引用。不能匹配一个左值。值得注意的是，尽管第二个fun函数的a的类型是右值引用类型，但它却是一个左值，由于它是某一个类型变量嘛。

        那要怎么做才干使得b匹配第二个fun函数呢？强制类型转换，把b强制转换成右值引用类型，也就是使用static_cast<int&&>(b)。此时，自然就会匹配第二个fun函数了。

        在C++ 11中。static_cast<T&&>有一个高大上的替代物std::move。事实上。高大上的std::move做的事情和前面说的差点儿相同。强制类型转换使得匹配特定的函数而已。

        右值引用和std::move引以自豪的高效率又是怎么实现的呢？本文从经典的拷贝构造函数说起，但样例却不经典。

class Test
{
public:
    Test() : p(nullptr) {}
    ~Test() { delete [] p; }

    Test(Test &t) : p(t.p)//注意这个拷贝构造函数的參数没有const
    {
        t.p = nullptr;//不然会在析构函数中，delete两次p
    }

private:
    char *p;
};

int main()
{
    Test a;
    Test b(a);
    return 0;
}

        注意这个拷贝构造函数的參数没有const。

        读者们，你们会认为上面那个Test在拷贝构造函数不高效吗？差点儿是没有不论什么效率上的负担啊。

类似，也能写一个高效的赋值函数。

        可是，一般来说我们的拷贝构造函数的參数都是有const的。有const意味着不能改动參数t。上面的代码也能够看到：将t.p赋值nullptr是必须的。

由于t.p不能改动，所以不得不进行深复制。不然将出现经典的浅复制问题。不用说。有const的拷贝构造函数更适合一些，毕竟我们须要从一个const对象中复制一份。

移动构造：

性能的救赎：

        在C++ 11之前，我们仅仅能眼睁睁看着重量级的类仅仅能调用有const的拷贝构造函数，复制一个重量级对象。在C++ 11里面增加了一个新类型右值引用，那能不能用这个右值引用类型作为构造函数的參数呢？当然能够啦。毕竟类的构造函数參数没有什么特别的要求。

习惯上，我们会称这种构造函数为移动(move)构造函数，相应的赋值操作则称为移动(move)赋值函数。

他们的代码也非常easy。例如以下：

class Test
{
public:
    Test() : p(nullptr)
    {
        cout<<"constructor"<<endl;
    }

    ~Test()
    {
        cout<<"destructor"<<endl;
        delete [] p;
    }

    Test(const Test& t) : p(nullptr), str(t.str)
    {
        cout<<"copy constructor"<<endl;
        if(t.p != nullptr)
        {
            p = new char[strlen(t.p)+1];
            memcpy(p, t.p, strlen(t.p)+1);
        }

    }

    Test& operator = (const Test& t)
    {
        cout<<"operator = "<<endl;
        if( this != &t )
        {
            char *tmp =nullptr;
            if( t.p != nullptr)
            {
                tmp = new char[strlen(t.p)+1];
                memcpy(tmp, t.p, strlen(t.p)+1);
            }
            delete [] p;
            p = tmp;
            str = t.str;
        }

        return *this;
    }

    Test(Test && t)noexcept : p(t.p), str(std::move(t.str))//怎样移动由string类完毕
    {
        cout<<"move copy constructor"<<endl;
        t.p = nullptr;//记得。不然会对同一段内存反复delete
    }

    Test& operator = (Test &&t)noexcept
    {
        cout<<"move operator ="<<endl;
        if( this != &t)
        {
            p = t.p;
            t.p = nullptr;

            str = std::move(t.str);//怎样移动由string类完毕
        }

        return *this;
    }

private:
    char *p;
    std::string str;
};

协助完毕移动构造：

        有了move构造函数和move赋值函数。下一步是协助完毕移动构造/移动赋值。包含程序猿和编译器。假设不协助的话，可能调用的是copy构造函数而不是move构造函数。从前文也能够看到，协助完毕移动构造/移动赋值，事实上也就是使得在函数调用时能匹配參数为右值引用的函数。码农能做的就是强制将一个不须要了的对象调用std::move。

如以下代码:

int main()
{
	Test a;
	Test b = std::move(a);//调用move构造函数
	Test c = a;//调用copy构造函数
	return 0;
}

        尽管上面的代码在构造b的时候调用了移动构造。但明显上面代码一点都不正常，为什么不直接构造b呢？全然用不着move构造啊。此时可能有读者会想到这样一个用途：我们能够为一个暂时对象加上std::move啊，比方operator + 的返回值。实际上这是画蛇添足的。

由于编译器会为这个暂时对象当作右值(准确说应该是：将亡值)，当然也就自己主动能使用移动构造了。

        难道移动构造是屠龙之技？不是的。

移动构造的一大长处是能够高效地在函数中返回一个重量级的类。函数返回值会在后面说到。

除了在函数返回值用到外，在函数内部也能够使用到的。

std::vector<std::string> g_ids;//全局变量
void addIds(std::string id)
{
    g_ids.push_back(std::move(id));
}


int main()
{
    addIds("1234");//在加入到g_ids过程中，会调用一次copy构造函数。一次move构造函数
    std::string my_id = "123456789";
    addIds(my_id);//会调用一次copy构造函数，一次move构造函数

    for(auto &e : g_ids)
        cout<<e<<endl;

    return 0;
}

        有读者可能会问，为什么addIds的參数不是const std::string &的形式，这样在对my_id调用的时候就不用为參数id调用一次copy构造函数。

但别忘了，此时id被push进g_ids时就要必需要调用一次copy构造函数了。

        前面用红色标出，对一个不须要的了对象调用std::move强制类型转换。

为什么说是不须要了的呢？由于一个对象被std::move而且作为move构造函数的參数后，该对象所占用的一些资源可能被移走了。留下一个没实用的空壳。注意。尽管是空壳。但在移动的时候，也要保证这个空壳对象能正确析构。

        也许读者还是认为移动语义是屠龙之技，那么读者们想一下：vector容器在扩容的时候吧。

有了移动语义，vector里面的对象从旧地址搬到新地址，毫不费劲。

右值引用情况下的返回值问题：

        

        有了右值引用，读者可能会写出以下的代码：

Test&& fun()
{
    Test t;
    ...
    return std::move(t);
}


int main()
{
    Test && tt = fun();//和下者，哪个才是正确的呢？
    Test tt = fun();//和上者，哪个才是正确的呢？

    return 0;
}

        无疑，在main函数中，还须要考虑一下tt对象是一个Test类型还是Test&&类型。事实上。大错早就在fun函数中铸成了。

        返回的仅仅是一个引用，真身呢？真身已经在fun函数中被摧毁了。Meyers早在《Effective C++》里面就告诫过：不要在函数中返回一个引用。前文也已经说了。右值引用也是一个引用(类型)! 那返回什么好呢? 当然是真身啦!  如同以下代码：

Test fun()
{
    Test t;
    ...

    return t;
}


int main()
{
	Test tt = fun();
	return 0;
}

        当函数返回一个对象时，编译器会将这个对象看作的一个右值(准确来说是将亡值)。所以无需在fun函数中。将return t写成return std::move(t);

        当然。实际上t变量的真身还是在fun函数中被摧毁了，但真身里面有价值的东西都被移走了。

对!就像比克大魔王那样，临死前把自己的孩子留下来! 在C++里面。当然不能生成一个孩子，可是能够通过移动构造函数生成一个暂时对象。把有价值的东西移走。由于不是移动到main函数的tt变量中。仅仅是移动到了暂时对象。所以接下来暂时对象还要进行一次移动，把有价值的东西移动到main函数的tt变量中。这个移动过程无疑是一个非常好的金蝉脱壳的经典教程。读者能够执行一下代码，能够看到整个移动过程。

记住。用g++编译的时候要增加-fno-elide-constructors选项，禁止编译器使用RVO优化。

由于这里的RVO优化比移动构造更省力。

所以假设不禁用，会优先使用RVO，而非移动构造函数。

初始化：

        由于右值引用也是一个引用类型。所以仅仅能初始化而不能赋值。既然这样。那仅仅需讨论什么类型的值才干用于初始化一个右值引用。一般来说，右值引用仅仅能引用右值、字面值、将亡值。所以问题转化为：什么是右值？网上介绍的一个方法是：要能不能将取地址符号&应用于某个标识符。假设能就说明它是一个左值，否则为右值。这种方法好像是行得通的。

只是，我认为没有必要分得那么清楚，又不是在考试。在寻常写代码时，没有谁会写类似a+++++a这种考试代码。我个人认为。记住最常见的那几种就差点儿相同了。

比方，字面量(1。‘c‘这类)，暂时(匿名)对象(即将亡值)。经过std::move()转换的对象，函数返回值。

其它的右值。还是留给编译器和Scott Meyers吧。假设真的要细究，能够參考stackoverflow上的一个提问《What are rvalues, lvalues, xvalues, glvalues, and prvalues?》

        另一个问题须要说明。const的左值引用(const T&)是一个万能引用。既能够引用左值。也能引用右值。这个是非常特殊，特殊得非常自然。假设Test类未定义move构造函数。但用户又使用Test a = std::move(b)构造变量a。那么终于会调用Test类的copy构造函数。一个类的copy构造函数假设用户不定义。编译器会在必要情况下自己主动合成一个。所以上面的a变量肯定能构造。

慎重的编译器：

        前一段貌似隐隐约约说到编译器不会自己主动合成一个move构造函数。是的。假设用户定义了copy构造函数。析构函数，operator =中的不论什么一个，编译器都不会自己主动为这个类合成一个move构成函数以及move 赋值函数。即使须要用到。详细的规则能够点这里。我个人觉得是由于。当定义了那四个函数中的不论什么一个，都能够觉得这个类不是nontrival的了。

        想一下，在什么情况下我们是须要析构函数和copy构造函数的。

当这个类里面有一些资源(变量)须要我们手动管理的时候。既然有资源要管理。那么读者你认为编译器默认生成的move构造函数的内部实现应该是怎么样的呢？对类里面的全部成员都调用std::move进行移动？还是调用copy构造函数复制一份呢？这样的吃力但又不见得讨好的事情，编译器选择不干。毕竟还有前面说到的const T& 能够引用一个右值。没有move构造函数。copy构造函数顶上就可以。

        作为类的设计者，你当然知道那些资源(变量)究竟是move还是copy。假设是move的话。那么直接用=default告诉编译器：别操心。直接用对全部变量move即可了。例如以下：

class Test
{
public:
	Test() p(new int) {}
	~Test()=default;
	Test(const Test&)=delete;
	Test& operator = (const Test&)=delete;

	Test(Test &&)=default;//告诉编译器
	Test& operator = (Test &&)=default;//告诉编译器
	

private:
	std::unique_ptr<int> p;
}