c++11的右值引用移动语义

Posted 2020-08-03 adinosaur

对于c++11来说移动语义是一个重要的概念，一直以来我对这个概念都似懂非懂。最近翻翻资料感觉突然开窍，因此记下。其实搞懂之后就会发现这个概念很简单，并无什么高深的地方。

先说说右值引用。右值一般指的是表示式中的临时变量，在c++中临时变量在表达式结束后就被销毁了，之后程序就无法再引用这个变量了。但是c++11提供了一个方法，让我们可以引用这个临时变量。这个方法就是所谓的右值引用。

那么右值引用有什么用呢？避免内存copy！

不同于其它语言，在c++里变量是值语义（在JAVA、Python变量是引用语义）。因此对于赋值操作意味着内存拷贝而不是简单的赋值指针。而右值引用的一个作用就是我们可以通过重新利用临时变量（右值）来避免无意义的内存copy。

 看这个例子（取自Rvalue References: C++0x Features in VC10, Part 2）

1 string s0(“my mother told me that”);
2 string s1(“cute”);
3 string s2(“fluffy”);
4 string s3(“kittens”);
5 string s4(“are an essential part of a healthy diet”);
6 
7 string dest = s0 + ” ” + s1 + ” ” + s2 + ” ” + s3 + ” ” + s4;

 

第7行对string求和中，每次调用operator+()都会创建一个临时变量，一共创建了8个临时的string对象。而这里真正低效的原因是，每次创建一个string对象都需要从堆上申请空间，将字符串的内容copy进来，并且这些临时的string都是只用一次。

显然这是低效的，为什么不这样子做呢：假设s0+""的时候创建的临时变量是temp_str，此后我们一直是用这个临时变量而不是重写创建。这样做表达式的结果是不会有任何改变，并且因为在opertor+()创建的都是程序其它地方不会引用到的临时变量，所以这样做也不会有任何副作用。相当于我们偷偷的做了个其它人无法察觉的小优化。

要如何做才能引用这个临时的string对象呢？答案就是右值引用。通过右值引用我们就能重新利用表达式中的临时变量，并且以更高效的指针swap来避免内存copy。

需要说明的一点是，右值引用优化的是避免对象在堆空间的内存的copy。在堆上的内存我们可以简单的通过指针交换来传递内存资源的所有权（类似于vector的swap方法），而对于栈上的内存不可避免还是需要copy。举一个例子，就是我放风筝，放着放着觉得累了就交给你，具体是怎么交法呢？你先制作一个和我手上拿的一模一样的手柄，接着我再把线剪短递给你，你把线绑在你的手柄上，交接完毕！手柄对应是栈空间、风筝对应是堆空间。

起始这种技术十分有用，不仅仅是在处理临时变量的时候起作用，有的时候我们想要使用这个转移资源（内存）的效果时，也可以强制将类型转为右值引用（std::move）来触发对象移动。

举一个例子，比如说对于vector的动态扩容。熟悉vector的实现的都知道，在对一个vector进行push_back时有可能会触发内存的重新分配，这个时候需要把原来内存的对象copy到新分配的内存上，最后再释放原来的内存。假设这个vector里面存放的是string对象，那么我们在执行简单的对象赋值（调用的是string::operator=()方法）的过程中，我们copy的不仅仅是sizeof(string)的内存，我们还copy这个string内部指针指向堆空间上的内存。通过观察可以发现，起始我们完全不必去拷贝内部指针指的那部分内存，因为原来的string对象在赋值完后就要被销毁，如果我们将这个指针偷偷的拿过来（swap），程序的其它部分不会有任何察觉。为了实现这样的操作我们需要做以下两件事情：

1. 对string实现一个移动构造函数、移动赋值函数。这些函数对内部指针进行swap操作，而不是copy操作。
2. 通过std::move来强化转化成右值引用，用以触发移动赋值函数。编译器正是通过参数类型是T&&，才知道应该使用移动版本的operator=()而不是copy版本的operator=()。

1 new_stri = std::move(old_str);

要对old_str转化为右值引用是因为它并不是真正的右值，它不是一个临时变量。但因为它即将被销毁，所以效果等同于一个临时变量。因此可以安全的转换，从而调用移动赋值函数并悄悄的"移动"它的内存资源。

 

推荐阅读：

1. 知乎：如何理解C++中的move语义？邱昊宇的回答

参考资料：

1. Visual C++ Team Blog：Rvalue References: C++0x Features in VC10, Part 2