深入理解C++11 3.3 右值引用：移动语义和完美转发

作者: zinclee123 | 来源:发表于2019-08-14 19:10 被阅读0次

首先，本章很长，也较难理解，建议读者有大段连续的时间看这个。。。

3.3.1 指针成员与拷贝构造

关于拷贝构造函数的调用时间，可以看这篇文章。
如果类中包含了指针，需要小心处理，下面是一段有问题的代码

class C {
public:
    C():i(new int(0)){
        cout << "none argument constructor called" << endl;
    }
    
    ~C(){
       cout << "destructor called" << endl;
        delete i;
    }
    
    int* i;
};

int main(){
    C c1;
    C c2 = c1;
    
    cout << *c1.i << endl;
    cout << *c2.i << endl;
    
    return 0;
}

XCode代码执行输出

none argument constructor called
0
0
destructor called
destructor called
CppTest(50956,0x1000ad5c0) malloc: *** error for object 0x10070c510: pointer being freed was not allocated
CppTest(50956,0x1000ad5c0) malloc: *** set a breakpoint in malloc_error_break to debug

原因是编译期会默认为类创建拷贝构造函数，而默认的拷贝构造函数只是简单的赋值，对类C，系统默认生成的拷贝构造函数如

C(const C& c):i(c.i){
}

导致c1和c2的i值一样，即指向同一片地址，当c1析构之后，c2.i就成为了一个“悬挂指针”(dangling pointer)，不再指向有效的内存了，如果对悬挂指针再次进行delete就会出现严重的错误。
以上系统生成的默认拷贝构造函数做的是浅拷贝（shallow copy），为了解决这个问题，通常是用户自定义拷贝构造函数实现深拷贝（deep copy），修正如下

class C {
public:
    C():i(new int(0)){
        cout << "none argument constructor called" << endl;
    }
    
    //增加此拷贝构造函数，根据传入的c，new一个新的int给i变量
    C(const C& c) :i(new int(*c.i)){
        
    }
    
    ~C(){
       cout << "destructor called" << endl;
        delete i;
    }
    
    int* i;
};

执行代码后如下

none argument constructor called
0
0
destructor called
destructor called
Program ended with exit code: 0

3.3.2 移动语义

拷贝函数中为指针成员分配新的内存再进行内容拷贝的方法在C++中几乎被视为不可违背的，不过有些时候却是不必要的。如下代码：

//这是一个成员包含指针的类
class HasPtrMem {
public:
    HasPtrMem() : d(new int(0)) {
        cout << "Construct:" << ++n_cstr << endl;
    }
    
    HasPtrMem(const HasPtrMem& h) {
        cout << "Copy construct:" << ++n_cptr << endl;
    }
    
    ~HasPtrMem() {
        cout << "Destruct:" << ++n_dstr << endl;
    }
    
private:
    int* d;
    static int n_cstr;
    static int n_dstr;
    static int n_cptr;
};

int HasPtrMem::n_cstr = 0;
int HasPtrMem::n_dstr = 0;
int HasPtrMem::n_cptr = 0;

HasPtrMem GetTemp() {
    return HasPtrMem();//①
}

int main(){
    HasPtrMem m = GetTemp();//②
    
    return 0;
}

这里我没用Xcode编译运行，因为在Build Setting里增加-fno-elide-constructors编译器依然还是优化了，所以根据教材用命令行执行

g++ -std=c++11 main.cpp -fno-elide-constructors

会在cpp文件下生成一个a.out文件，在命令行执行./a.out输出

Construct:1
Copy construct:1
Destruct:1
Copy construct:2
Destruct:2
Destruct:3

构造函数被调用1次，是在①处，第一次调用拷贝构造函数是在GetTemp return的时候，将①生成的变量拷贝构造出一个临时值，来当做GetTemp的返回，第二次拷贝构造函数是在②处。同时就有了于此对应的三次析构函数的调用。例子里用的是一个int类型的指针，而如果该指针指向的是非常大的堆内存数据的话，那没拷贝过程就会非常耗时，而且由于整个行为是透明且正确的，分析问题时也不易察觉。

在C++中，我们可以通过移动构造函数解决此问题，修改代码如下：

//这是一个成员包含指针的类
class HasPtrMem {
public:
    HasPtrMem() : d(new int(0)) {
        cout << "Construct:" << ++n_cstr << endl;
    }
    
    HasPtrMem(const HasPtrMem& h) {
        cout << "Copy construct:" << ++n_cptr << endl;
    }
    
    HasPtrMem(HasPtrMem&& h):d(h.d) {
        h.d = nullptr; //③注意对之前的h赋空指针
        cout << "Move construct:" << ++n_mvtr << endl;
    }
    
    ~HasPtrMem() {
        cout << "Destruct:" << ++n_dstr << endl;
    }
    
private:
    int* d;
    static int n_cstr;
    static int n_dstr;
    static int n_cptr;
    static int n_mvtr;
};

int HasPtrMem::n_cstr = 0;
int HasPtrMem::n_dstr = 0;
int HasPtrMem::n_cptr = 0;
int HasPtrMem::n_mvtr = 0;

HasPtrMem GetTemp() {
    return HasPtrMem();
}

int main(){
    HasPtrMem m = GetTemp();
    
    return 0;
}

输出

Construct:1
Move construct:1
Destruct:1
Move construct:2
Destruct:2
Destruct:3

这里通过指针赋值的方式，将d的内存直接偷了过来，避免了拷贝构造函数的调用。注意③，这里需要对原来的d进行赋空值，因为在移动构造函数完成之后，临时对象会立即被析构，如果不改变d，那临时对象被析构时，因为偷来的d和原本的d指向同一块内存，会被释放，成为悬挂指针，会造成错误。

为什么不用函数参数里带个指针或者引用当返回结果呢？不是性能的问题，而是代码编写效率及可读性不好，如：

string *a;
int c = 1
int &b = c;
Calculate(GetTemp(),b);//最后一个参数用于返回结果

最后说明一下移动构造函数被调用的时机：一旦用到的是临时变量，那么移动语义就可以得到执行。下一节讲下C++的值是如何分类的。未完待续，后面还有4节。。。

3.3.3 左值、右值与右值引用

关于左值(lvalue)和右值(rvalue)的判别方法：

在赋值表达式中，出现在等号左边的是“左值”，等号右边的是“右值”，如a = b + c;中，a是左值，而b+c是右值；
可以取地址的、有名字的是左值，反之是右值，对于a = b + c;，&a是允许的操作，&(b+c)是不允许的操作，所以a是左值，b+c是右值。

而在C++11中右值是由两个概念构成的，一个是将亡值(xvalue, eXpriring Value)，另个一个则是纯右值(prvalue, Pure Rvalue)。
其中纯右值包括：

非引用返回的函数返回的临时变量值
运算表达式，如1+3产生的临时变量值
不跟对象关联的字面量，如2、’c‘、true
类型转换函数的返回值
lamda表达式

将亡值贼是C++11新增的跟右值引用相关的表达式，包括：

返回右值引用T&&的函数返回值
std::move的返回值
转换为T&&的类型转换函数的返回值

而剩余的，可以标识函数、对象的值都属于左值。在C++11的程序中，所有的值必属于左值、将亡值、纯右值三者之一。

在C++11中，右值引用就是对一个右值进行引用的类型。由于右值不具有名字，我们也只能通过引用的方式找到它的存在。通常我们只能是从右值表达式获得其引用。比如：

T&& a = ReturnRvalue();①

右值引用和左值引用都是引用类型，都必须立即进行初始化。引用类型本身并不拥有绑定对象的内存，只是该对象的一个别名。左值引用是具名变量值的别名，右值引用则是匿名变量的别名。

在上面①的例子中，ReturnRvalue函数返回的右值在表达式语句结束后，其生命也就终结了，而通过右值引用的声明，该右值又“重获新生”，其生命期将于右值引用类型a的生命期一样。只要a还“活着”，该右值临时量将会一直“存活”下去。
所以相比于一下语句：

T b = ReturnRvalue();

①的声明方式会少一次对象的析构和一次对象构造。因为a是右值引用，直接绑定了ReturnRvalue()返回的临时量，而b是由临时值构造的，而临时量在表达式结束后会析构因而会多一次析构和构造的开销。
注意，能够声明右值引用a的前提是ReturnRvalue返回的是一个右值。通常右值引用是不能够绑定到任何左值的，如下代码会导致编译无法通过：

int c;
int &&d = c;

有的时候，我们可能不知道一个类型是否是引用类型，以及是左值引用还是右值引用。标准库<type_traits>头文件中提供了3个类模板：is_rvalue_reference、is_lvalue_reference和is_reference，比如：

cout << is_rvalue_reference<string &&>::value;

3.3.4 std::move 强制转化为右值

C++11中，<utility>中提供了函数std::move，功能是将一个左值强制转化为右值引用，继而我们可以通过右值引用使用该值，用于移动语义。std::move基本等同于一个类型转换:

static_cast<T&&>(lvalue);

被转化的左值，其生命期并没有随着左右值的转化而改变。下面是一个正确使用std::move的例子

class HugeMem {
public:
    HugeMem(int size): sz(size>0 ? size: 1) {
        c = new int[size];
    }
    
    ~HugeMem() {
        delete [] c;
    }
    
    HugeMem(HugeMem&& h) : sz(h.sz), c(h.c) {
        h.c = nullptr;
    }
    
    int* c;
    int sz;
};

class Moveable {
public:
    Moveable(): i(new int[3]), h(1024) {}
    
    ~Moveable() {
        delete [] i;     
    }
    
    Moveable(Moveable&& m) : i(m.i), h(move(m.h)) { //使用move将m.h转为右值引用，继而调用HugeMem的移动构造函数
        m.i = nullptr;
    }
    
    int *i;
    HugeMem h;
};

Moveable getTemp() {
    Moveable tmp = Moveable();
    cout << hex << "Huge Mem from " << __func__ << "@" << tmp.h.c << endl;
    return tmp;
}

int main(){
    Moveable a(getTemp());//因为getTemp()返回的是右值，所以会调用Moveable的移动构造函数
    cout << hex << "Huge Mem from " << __func__ << "@" << a.h.c << endl;
    return 0;
}

输出

Huge Mem from getTemp@0x104002000
Huge Mem from main@0x104002000

需要注意的是，在编写移动构造函数的时候，应该总是使用std::move转换拥有形如堆内存、文件句柄的等资源的成员为右值，这样一来，如果成员支持移动构造的话，就可以实现其移动语义，即使成员没有移动构造函数，也会调用拷贝构造，因为不会引起大的问题。

3.3.5 移动语义的一些其他问题

移动语义一定是要改变临时变量的值（这里有以为，需要解决，目前没看出哪里一定要改变，先这么硬背吧）。如声明：

Moveable(const Moveale &&);//这个对应3.3.4的例子，如果这样声明移动构造函数会报错

image.png

而如果是将3.3.4的例子中的Moveable getTemp()改为const Moveable getTemp(),再执行命令

g++ -std=c++11 main.cpp -fno-elide-constructors

注意上面的改动在Xcode中是可以运行的，可以正确调用到移动构造函数，但是通过命令行会提示

copy constructor is implicitly deleted because 'Moveable' has a user-declared move constructor

可见Moveable a(getTemp());实际是要调用Moveable的拷贝构造函数。报错原因显示声明了移动构造函数，编译器就不会为类生成默认的拷贝构造函数了，所以提示没有显示声明拷贝构造函数。

在C++11中，拷贝/移动改造函数有以下3个版本：

T Object(T&)
T Object(const T&)
T Object(T&&)

其中常量左值引用的版本是一个拷贝构造函数版本，右值引用参数的是一个移动构造函数版本。默认情况下，编译器会为程序员隐式地生成一个移动构造函数，但是如果声明了一自定义的拷贝构造函数、拷贝赋值函数、移动构造函数、析构函数中的一个或者多个，编译器都不会再生成默认版本。所以在C++11中，拷贝构造函数、拷贝赋值函数、移动构造函数和移动赋值函数必须同时提供，或者同时不提供，只声明其中一种的话，类都仅能实现一种语义。

只实现一种语义在类的编写中也是非常常见的，比如如果只实现移动语义，则表明该类型的变量拥有的资源只能被移动，不能被拷贝，那么这样的资源必须是唯一的，如智能指针、文件流。

在<type_traits>里，可以通过一些辅助的模板类来判断一个类型是否是可以移动的，如：

is_move_constructible
is_trivially_move_constructible
is_nothrow_move_constructible

使用方法都是使用value成员，如

cout << is_move_constructible<UnknowTYpe>::value;

有了移动语义，可以实现高性能的置换函数，如：

template <class T>
void swap(T& a, T& b) {
    T tmp(move(a));
    a = move(b);
    b = move(tmp);
}

如果T是可以移动的，则不会有资源的释放和申请，如果T不可移动但是可以拷贝，则和普通声明一样了。

要注意的是，尽量不要编写会抛出异常的移动构造函数，因为有可能移动没完成，会导致一些指针成为悬挂指针，通过添加noexcept关键字，可以保证移动构造函数抛出异常直接终止程序。

3.3.6 完美转发

完美转发(perfect forwarding)，是指在模板函数中，完全依照模板的参数类型讲参数传递给模板中调用的另外一个函数，如：

template <typename T>
void IamForwarding（T t） {
    IrunCodeActually(t);
}

这是一个参数透传的实现，但是因为使用最基本类型转发，会在传参的时候产生一次额外的临时对象拷贝，因为只能说是转发，但不完美。所以通常需要的是一个引用类型餐护士，不会有拷贝的开销。其次需要考虑函数对类型的接受能力，因为目标函数可能需要既接受左值引用，又接受右值引用，如果转发函数只能接受其中的一部分，也不完美。

对应代码

typedef const A T;
typedef T& TR;
TR& v = 1;

在C++11中引入了一条所谓“引用折叠”的新语言规则，规则如下

TR的类型定义	声明v的类型	v的实际类型
T&	TR	A&
T&	TR&	A&
T&	TR&&	A&
T&&	TR	A&&
T&&	TR&	A&
T&&	TR&&	A&&

规则就是一单定义中出现了左值引用，引用折叠总是优先将其折叠为左值引用。前三行TR定义为T&，则v世界类型为A&，第五行的v的类型为TR&，则v的实际类型也为A&，其他则为右值引用。于是我们把转发函数改为：

template <typename T>
void IamForwarding（T&& t） {
    IrunCodeActually(static_cast<T&&>(t));
}

对于传入的左值引用

void IamForwarding（X& && t） {
    IrunCodeActually(static_cast<X& &&>(t));
}

折叠后是

void IamForwarding（X& t） {
    IrunCodeActually(static_cast<X&>(t));
}

对于右值引用

void IamForwarding（X&& && t） {
    IrunCodeActually(static_cast<X&& &&>(t));
}

折叠后是

void IamForwarding（X&& t） {
    IrunCodeActually(static_cast<X&&>(t));
}

此处的static_cast类似std::move的作用，将左值转换为右值引用。不过在C++11中，用于完美转发的函数不叫move，叫forward，所以也可以这么写

void IamForwarding（X&& t） {
    IrunCodeActually(forward(t));
}

move和forward实现差别不大，但是为了不同用途，有了不同命名。
下面是完美转发的例子：

void run(int && m) { cout << "rvalue ref" << endl; }
void run(int & m) { cout << "lvalue ref" << endl; }
void run(const int && m) { cout << "const rvalue ref" << endl; }
void run(const int & m) { cout << "const lvalue ref" << endl; }

template <typename T>
void perfectForward(T&& t) {
    run(forward<T>(t));
}

int main(){
    int a;
    int b;
    const int c = 1;
    const int d = 0;
    
    perfectForward(a);
    perfectForward(move(b));
    perfectForward(c);
    perfectForward(move(d));
    
    return 0;
}

输出

lvalue ref
rvalue ref
const lvalue ref
const rvalue ref

深入理解C++11 3.3 右值引用：移动语义和完美转发

3.3.1 指针成员与拷贝构造

3.3.2 移动语义

3.3.3 左值、右值与右值引用

3.3.4 std::move 强制转化为右值

3.3.5 移动语义的一些其他问题

3.3.6 完美转发

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