C++11线程指南(四)--右值引用与移动语义
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时间：2015年06月11日
1. 按值传递
什么是按值传递？当一个函数通过值的方式获取它的参数时，就会包含一个拷贝的动作。编译器知道如何去进行拷贝。如果参数是自定义类型，则我们还需要提供拷贝构造函数，或者赋值运算符来进行深拷贝。然而，拷贝是需要代价的。在我们使用STL容器时，就存在大量的拷贝代价。当按值传递参数时，会产生临时对象，浪费宝贵的CPU以及内存资源。
需要找到一个减少不必要拷贝的方法。移动语义就是其中一种。
2. 右值引用
此处介绍右值引用的目的，是为了实现后面的移动语义。右值引用使得我们可以分辨一个值是左值还是右值。C++11标准规定右值引用只能绑定右值，它使用两个&符号进行声明。
int&& rvalue_ref = 99;下面就是一个右值引用例子：
#include<iostream>
void f(int& i) {
std::cout<<"lvalue ref: "<<i<<std::endl;
}
void f(int&& i) {
std::cout<<"rvalue ref: "<<i<<std::endl;
}
int main()
{
int i=99;
f(i); //lvalue ref called
f(99); //rvalue ref called
f(std::move(i)); //rvalue ref called
return 0;
} 运行结果为：lvalue ref: 99
rvalue ref: 99
rvalue ref: 99
其中std::move函数的作用就是将一个左值转换为成右值。
如果一个表达式会生成一个临时对象，则它就是一个右值。如下：
#include<iostream>
int getValue() {
int i = 22;
return i;
}
int main() {
std::cout<<getValue()<<std::endl;
return 0;
} getValue()就是一个右值。注意：返回的这个值并不是i的引用，而是一个临时值。在C++0x中，使用左值引用仅能绑定const类型的临时对象。
const int& val = getValue(); // OK int& val = getValue(); // Wrong!但是，C++11中的右值引用允许我们绑定一个mutable引用到rvalue，但不是lvalue。换言之，右值引用可以完美的判断一个值是否为临时对象。
const int&& val = getValue(); // OK int&& val = getValue(); // OK下面进行一下比较：
void printReference (const int& value)
{
std::cout << value;
}
void printReference (int&& value)
{
std::cout << value;
} 第一个函数的参数类型为const lvalue, 它可以接收任何传入参数，无论是rvalue还是lvalue. 但是，第二个函数只能接收右值引用。换言之，我们可以使用函数重载，即一个使用左值引用参数，另一个使用右值引用参数，来判断传入的参数是左值还是右值。也就是说，C++11引入了一个新的类型, non-const reference, 即右值引用，声明方式为T&&。它代表一个初始化后还允许被修改的临时值。这也是移动语义的基础。
#include<iostream>
void printRef(int& value) {
std::cout<<"lvalue: value = "<<value<<std::endl;
}
void printRef(int&& value) {
std::cout<<"rvalue: value = "<<value<<std::endl;
}
int getVal() {
int tmp = 88;
return tmp;
}
int main(){
int i = 11;
printRef(i);
printRef(getVal()); //printRef(88);
return 0;
} 运行结果为：lvalue: value = 11
rvalue: value = 88
注意：第一个printRef函数中，参数没有const修饰符，这样使得它只能接受左值。
到此为止，我们可以写出两个区别明显的重载函数：一个只接受左值参数，另一个只接受右值参数。有何好处呢？它给予了我们一种以更少代码实现更有效率程序的方法！
对右值引用的总结：
1)int&& a: C++11中的新类型-右值引用采用的声明方式
2)non-const 左值引用绑定到一个对象
3)右值引用绑定到一个通常不会再被使用的临时对象
3. 移动语义
在C++03中，如果参数按值传递，就会隐含一个不必要的深拷贝代价在里边。我们可以使用右值引用来避免深拷贝带来的性能损失。基于前面的论述，我们已经有了一种可以用来判断是临时对象还是永久对象的方法。现在的问题是，如何使用它呢？
右值引用的主要作用就是用来创建移动构造函数(move constructor)以及移动赋值运算符(move assignment operator)。移动构造函数，类似于拷贝构造函数，使用对象实例做为参数并且基于原始对象来创建一个新的实例。只是，移动构造函数可以避免内存重新分配，因为我们知道它提供了一个临时对象。
换言之，右值引用和移动语义避免了不必要的临时对象拷贝。我们无需拷贝临时对象，这样，临时对象所需的资源，可以使用于其它对象。
右值通常是临时的并且可以被修改的。如果我们知道函数参数是一个右值，可以把它当作临时存储使用，或者获取其内容，而不会改变程序的输出。这意味着我们可以移动其内容，而无需拷贝其内容。这样节省了大量的内容分配，并可对大量动态内存结构程序进行优化。
下面是一个典型的使用移动语义的类定义：
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<vector>
class Dummy {
public:
explicit Dummy(size_t length):_length(length), _data(new int[length]) {
std::cout<<"Dummy(size_t).length = "<<_length<<"."<<std::endl;
}
~Dummy() {
std::cout<<"~Dummy().length = "<<_length<<"."<<std::endl;
if(_data!=NULL){
std::cout<<"delete resource."<<std::endl;
delete _data;
}
}
Dummy(const Dummy&other):_length(other._length),_data(new int[other._length]) {
std::cout<<"Dummy(const &Dummy).length = "<<other._length<<".Copying resource."<<std::endl;
std::copy(other._data, other._data+_length, _data);
}
//Copy assignment operator
Dummy& operator=(const Dummy& other) {
std::cout<<"operator=(const Dummy&).length = "<<other._length<<". Copying resource."<<std::endl;
if(this != &other) {
delete _data;
_length = other._length;
_data = new int[_length];
std::copy(other._data, other._data+_length, _data);
}
return *this;
}
//Move constructor
Dummy(Dummy&& other):_length(0),_data(NULL) {
std::cout<<"Dummy(Dummy&&).length = "<<other._length<<". Moving resource."<<std::endl;
//copy the data pointer and its length from the source object
_data = other._data;
_length = other._length;
//release the data pointer from the source object so that the destructor does not free
//the memory multiple times.
other._data = NULL;
other._length = 0;
}
//Move assigment operator
Dummy& operator=(Dummy&& other) {
std::cout<<"operator=(Dummy&&).length = "<<other._length<<"."<<std::endl;
if(this != &other) {
delete _data;
//copy the data pointer and its length from the source object
_data = other._data;
_length = other._length;
//release the data pointer from the source object so that the destructor does not free
//the memory multiple times
other._data = NULL;
other._length = 0;
}
return *this;
}
private:
size_t _length;
int* _data;
};
int main() {
std::vector<Dummy> vec;
vec.push_back(Dummy(55));
vec.push_back(Dummy(77));
//insert a new element into the second position of the vector
vec.insert(vec.begin()+1, Dummy(66));
return 0;
} 运行结果为：Dummy(size_t).length = 55.
Dummy(Dummy&&).length = 55. Moving resource.
~Dummy().length = 0.
Dummy(size_t).length = 77.
Dummy(Dummy&&).length = 77. Moving resource.
Dummy(const &Dummy).length = 55.Copying resource.
~Dummy().length = 55.
delete resource.
~Dummy().length = 0.
Dummy(size_t).length = 66.
Dummy(Dummy&&).length = 66. Moving resource.
Dummy(const &Dummy).length = 55.Copying resource.
Dummy(const &Dummy).length = 77.Copying resource.
~Dummy().length = 55.
delete resource.
~Dummy().length = 77.
delete resource.
~Dummy().length = 0.
~Dummy().length = 55.
delete resource.
~Dummy().length = 66.
delete resource.
~Dummy().length = 77.
delete resource.
4. 移动构造函数
下面是一个最简单的移动构造函数：Dummy(Dummy&& other) noexcept // C++11 - specify non-exception throwing function
{
_date = other._data; // shallow copy
other._date = nullptr;
} 注意：上面函数没有分配任何新的资源，只是将内容移动了而不是拷贝: other中的内容移到了一个新成员里边，然后other中的内容被清除了。它占用了other的资源并且将other设置为了默认构造函数时的状态。最重要的事实是没有内容的分配开销。我们只是分配了一个地址，只需很少的几个机器指令即可实现。假设这个地址指向的是包含上万个整数的数组，我们无需拷贝其中的元素，无需创建新的东西，而只是移动了它们。如果使用旧的拷贝构造函数，且这个类有一个拥有上万个元素的成员数组，则我们需要大量的赋值操作，付出的代价很大。现在，有了移动构造函数之后，可以节省很多。
移动构造函数比拷贝构造函数快很多，因为它既不分配内存，也不拷贝内存块。
5. 移动赋值运算符
一个简单的移动赋值运算符如下：Dummy& operator=(Dummy&& other) noexcept
{
_data = other._data;
other._data = nullptr;
return *this;
} 移动赋值运算符与拷贝构造函数类似，除了转移source object之前，它会释放object所拥有的资源。步骤如下：1). 释放*this所拥有的资源
2). 转移other的资源
3). 将other设置为默认状态
4). 返回*this
5. 结果分析
因为C++11支持右值引用，这样vector::push_back()函数相当于有两个版本：一个像以前一样接受左值参数const T&, 另外一个新的接受右值参数T&&。
main()函数中调用了两次push_back来插入到vector中：
std::vector<A> vec; vec.push_back(A(55)); vec.push_back(A(77));这两个push_back，实际上都使用的push_back(T&&), 因为传入的参数是右值。push_back(T&&)会将参数中的资源，移动到vector中的对象A, 使用的是A的移动构造函数。在C++03中，相同的这段代码会进行参数的赋值，因为会调用参数的拷贝构造函数。
如果传入的参数是一个左值，则push_back(const T&)会被调用：
std::vector<A> vec; A obj(25); // lvalue vec.push_back(obj); // push_back(const T&)不过，我们可以使用static_cast将左值引用转换为右值引用，使得调用的是push_back(T&&)。
// calls push_back(T&&) vec.push_back(static_cast<A&&>(obj));另外一种办法是，使用std::move()来实现：
// calls push_back(T&&) vec.push_back(std::move(obj));总结起来，push_back(T&&)看似总是最近选择，因为它减少了不必要的拷贝开销。然而，需要记住的是push_back(T&&)总会清空传入的参数。如果需要在执行一个push_back()操作后，仍然保持参数原始状态，则还是需要选择拷贝语义(拷贝构造函数)，而不是移动语义。
6. 使用move()交换对象
下面例子显示如何使用move来交互对象#include<iostream>
class Dummy
{
public:
//constructor
explicit Dummy(size_t length):_length(length),_data(new int[length]) { }
//move constructor
Dummy(Dummy&& other) {
_data = other._data;
_length = other._length;
other._data = nullptr;
other._length = 0;
}
//move assignment operator
Dummy& operator= (Dummy&& other) noexcept {
_data = other._data;
_length = other._length;
other._data = nullptr;
other._length = 0;
return *this;
}
void swap(Dummy& other) {
Dummy tmp = std::move(other);
other = std::move(*this);
*this = std::move(tmp);
}
int getLength() { return _length; }
int* getData() { return _data; }
private:
size_t _length;
int* _data;
};
int main()
{
Dummy a(11),b(22);
std::cout<<a.getLength()<<" "<<b.getLength()<<std::endl;
std::cout<<a.getData()<<" "<<b.getData()<<std::endl;
a.swap(b);
std::cout<<a.getLength()<<" "<<b.getLength()<<std::endl;
std::cout<<a.getData()<<" "<<b.getData()<<std::endl;
return 0;
} 运行结果为：11 22
0x1a31010 0x1a31050
22 11
0x1a31050 0x1a31010
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