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现代C++之右值语义

在现代C++的众多特性中，右值语义(std::move和std::forward)大概是最神奇也最难懂的特性之一了。本文简要介绍了现代C++中右值语义特性的原理和使用。

1 什么是左值，什么是右值?

int a = 0;       // a是左值，0是右值
int b = rand();  // b是左值，rand()是右值

直观理解：左值在等号左边，右值在等号右边

深入理解：左值有名称，可根据左值获取其内存地址，而右值没有名称，不能根据右值获取地址。

2 引用叠加规则

左值引用A&和右值引用A&&可相互叠加, 叠加规则如下：

A& + A& = A&
A& + A&& = A&
A&& + A& = A&
A&& + A&& = A&&

举例说明，在模板函数void foo(T&& x)中：

  • 如果T是int&类型, T&&为int&，x为左值语义
  • 如果T是int&&类型, T&&为int&&, x为右值语义

也就是说，不管输入参数x为左值还是右值，都能传入函数foo。区别在于两种情况下，编译器推导出模板参数T的类型不一样。

3 std::move

3.1 What?

在C++11中引入了std::move函数，用于实现移动语义。它用于将临时变量(也有可能是左值)的内容直接移动给被赋值的左值对象。

3.2 Why?

知道了std::move是干什么的，他能给我们的搬砖工作带来哪些好处呢？ 举例说明：

如果类X包含一个指向某资源的指针，在左值语义下，类X的复制构造函数定义如下：

X::X() 
{
  // 申请资源(指针表示)
}

X::X(const X& other)
{
  // ...
  // 销毁资源 
  // 克隆other中的资源
  // ...
}

X::~X() 
{
  // 销毁资源
}

假设应用代码如下。其中，对象tmp被赋给a之后，便不再使用。

X tmp;
// ...经过一系列初始化...
X a = tmp;

在上面的代码中，执行步骤:

  • 先执行一次默认构造函数(默认构造tmp对象)
  • 再执行一次复制构造函数(复制构造a对象)
  • 退出作用域时执行析构函数(析构tmp和a对象)

从资源的视角来看，上述代码中共执行了2次资源申请和3次资源释放。

那么问题来了，既然对象tmp只是一个临时对象，在执行X a = tmp;时，对象a能否将tmp的资源'偷'过来，直接为我所用，而不影响原来的功能？ 答案是可以。

X::X(const X& other)
{
  // 使用std::swap交换this和other的资源        
}

通过'偷'对象tmp的资源，减少了资源申请和释放的开销。而std::swap交换指针代价极小，可忽略不计。

3.3 How?

到现在为止，我们明白了std::move将要达到的效果，那么它究竟是怎么实现的呢？

template<class T> 
typename remove_reference<T>::type&&
std::move(T&& a) noexcept
{
  typedef typename remove_reference<T>::type&& RvalRef;
  return static_cast<RvalRef>(a);
}

不管输入参数为左值还是右值，都被remove_reference去掉其引用属性，RvalRef为右值类型，最终返回类型为右值引用。

3.4 Example

在实际使用中，一般将临时变量作为std::move的输入参数，并将返回值传入接受右值类型的函数中，方便其'偷取'临时变量中的资源。需要注意的是，临时变量被'偷'了之后，便不能对其进行读写，否则会产生未定义行为。

#include <utility>             
#include <iostream>            
#include <string>              
#include <vector>              
                               
void foo(const std::string& n) 
{                              
  std::cout << "lvalue" << std::endl;
}                              
                               
void foo(std::string&& n)      
{                              
  std::cout << "rvalue" << std::endl;
}                              
                               
void bar()                     
{                              
  foo("hello");                // rvalue
  std::string a = "world";      
  foo(a);                      // lvalue
  foo(std::move(a));           // rvalue
}

int main()
{
  std::vector<std::string> a = {"hello", "world"};
  std::vector<std::string> b;

  b.push_back("hello");         // 开销：string复制构造
  b.push_back(std::move(a[1])); // 开销：string移动构造(将临时变量a[1]中的指针偷过来)

  std::cout << "bsize: " << b.size() << std::endl;
  for (std::string& x: b)
    std::cout << x << std::endl;
  bar();
  return 0;
}

4 std::forward

4.1 What?

std::forward用于实现完美转发。那么什么是完美转发呢？完美转发实现了参数在传递过程中保持其值属性的功能，即若是左值，则传递之后仍然是左值，若是右值，则传递之后仍然是右值。

简单来说，std::move用于将左值或右值对象强转成右值语义，而std::forward用于保持左值对象的左值语义和右值对象的右值语义。

4.2 Why?

#include <utility>
#include <iostream>

void bar(const int& x)
{
  std::cout << "lvalue" << std::endl;
}

void bar(int&& x)
{
  std::cout << "rvalue" << std::endl;
}

template <typename T>
void foo(T&& x)
{
  bar(x);
}

int main()
{
  int x = 10; 
  foo(x);  // 输出：lvalue
  foo(10); // 输出：lvalue
  return 0;
}

执行以上代码会发现，foo(x)和foo(10)都会输出lvalue。foo(x)输出lvalue可以理解，因为x是左值嘛，但是10是右值，为啥foo(10)也输出lvalue呢？

这是因为10只是作为函数foo的右值参数，但是在foo内部，10被带入了形参x，而x是一个有名字的变量，即右值，因此foo中bar(x)还是输出lvalue。

那么问题来了，如果我们想在foo函数内部保持x的右值语义，该怎么做呢？std::forward便派上了用场。

只需改写foo函数：

template <typename T>
void foo(T&& x)
{
  bar(std::forward<T>(x));
}

4.3 How?

std::forward听起来有点神奇，那么它到底是如何实现的呢？

template<typename T, typename Arg> 
shared_ptr<T> factory(Arg&& arg)
{ 
  return shared_ptr<T>(new T(std::forward<Arg>(arg)));
}
template<class S>
S&& forward(typename remove_reference<S>::type& a) noexcept
{
  return static_cast<S&&>(a);
}

X x;
factory<A>(x);

如果factory的输入参数是一个左值，那么Arg = X&，根据叠加规则，std::forward<Arg> = X&。因此，在这种情况下，std::forward<Arg>(arg)仍然是左值。

相反，如果factory输入参数是一个右值，那么Arg = X，std::forward<Arg> = X。这种情况下，std::forward<Arg>(arg)是一个右值。

恰好达到了保留左值or右值语义的效果！

4.4 Example

直接上代码。如果前面都懂了，相信这段代码的输出结果也能猜个八九不离十了。　　

#include <utility>
#include <iostream>

void overloaded(const int& x)
{
  std::cout << "[lvalue]" << std::endl;
}

void overloaded(int&& x)
{
  std::cout << "[rvalue]" << std::endl;
}

template <class T> void fn(T&& x)
{
  overloaded(x);
  overloaded(std::forward<T>(x));
}

int main()
{
  int i = 10; 
  overloaded(std::forward<int>(i));
  overloaded(std::forward<int&>(i));
  overloaded(std::forward<int&&>(i));
  
  fn(i);
  fn(std::move(i));

  return 0;
}

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