C++11之右值引用(二):右值引用与移动语义

上节我们提出了右值引用,可以用来区分右值,那么这有什么用处?

 

问题来源

 

我们先看一个C++中被人诟病已久的问题:

我把某文件的内容读取到vector中,用函数如何封装?

大部分人的做法是:

void readFile(const string &filename, vector<string> &words)
{
    words.clear();
    //read XXXXX
}

这种做法完全可行,但是代码风格谈不上美观,我们尝试着这样编写:

vector<string> readFile(const string &filename)
{
    vector<string> ret;
    ret.push("cesfwfgw");

    //....
    //

    return ret;
}

这样我们就可以在main中这样调用:

vector<string> coll = readFile("fef.text");

但是,稍微熟悉C++的都知道,这样在语法上会造成大量的开销:

ret复制给临时变量,该临时变量开辟在heap上

临时变量复制给coll

这中间产生两次复制和销毁的开销。

如果说这个例子,可以采用开头的代码解决开销,那么如果是一个查询返回结果的函数,那么我们必须这样写:

vector<string> queryWord(const string &word)
{
    vector<string> result;
    //XXXXX

    return result;
}

这里的开销就无法避免了。

 

移动语义的引入

 

我们考虑一个生活中常见的问题(这里参考了如何评价 C++11 的右值引用(Rvalue reference)特性?),如果把一个很重的货物从箱子A移动到箱子B,那么

正常的做法是:打开箱子A,把物品搬出来,移动到B,然后关上A。

另一种比较奇葩的做法是:在B中复制一个物品A,然后将A中的销毁。

更奇葩的做法是:由于复制工具的局限性,我们无法直接在B中复制,所以我们只好先在地上复制一个物品temp,销毁A中的物品,然后根据temp在B中再复制一份,再销毁地上的temp。

事实上,C++98采用的就是最后一种效率极其低下的做法,这里的关键在于,C++98没有很好的区分“copy”和“move”语义

上述问题中,我们明确提出移动A到B中,但是C++98由于移动语义的缺失,只好采用copy的方式完成。

 

我们再回到开头的问题中:

vector<string> readFile(const string &filename)
{
    vector<string> ret;
    ret.push("cesfwfgw");

    //....
    //

    return ret;
}

这里我们必须看到一点,在完成函数调用后,ret就要被销毁,所以我们想到一个主意,不是把ret中的内容复制给main中的coll,而是将ret中的内容偷到coll中,然后将ret悄悄的销毁。

这样是可行的,因为ret的生命周期很短。

 

哪些可以偷?

 

现在问题来了,C++中哪些可以偷,哪些不能?

我们回顾上一节提到的四个表达式:

string one("one");
const string two("two");
string three() { return "three"; }
const string four() { return "four"; }

显然,one和two生命周期较长,不能偷。four具有const属性,拒绝被偷。

那么three是可以被偷取的,因为它是临时变量,又没有const属性。

所以,C++中的非const右值,和移动语义完全匹配

上节我们提出用右值引用区分右值,正是为了解决哪些可以偷的问题!

 

OK,我们的思路已经很清晰了:

1.为了解决返回对象开销问题,我们提出“偷取”,而不是复制对象

2.我们面临哪些能偷,哪些不能偷的问题。

3.右值可以偷取,所以我们如何区分右值?

4.我们引入右值引用X &&来区分右值。

这就是右值引用的来源。

 

如果一个变量不是右值,但是我们又需要偷取,那么我们可以采用std::move函数,将其强制转化为右值引用

例如:

void test(string name)
{
    string temp(std::move(name));
    // XXXXXX
}

注意,被偷取之后的name无法继续使用,所以move函数不可以随意使用。

 

带来的影响

 

那么,右值引用带来哪些该变呢?

首先是类的成员函数赋值,看下面代码:

class People
{
public:
    People() 
    {
        cout << "People()" << endl;
    }
    People(const string &name)
    : name_(name)
    {
        cout << "People(const string &name)" << endl;
    }
    People(string &&name)
    : name_(name)
    {
        cout << "People(string &&name)" << endl;
    }

private:
    string name_;
};

这里name赋值,我们相对于C++98,提供了一个右值函数,将name的值移动给name_。

事实上,上面的两个函数可以合成一个:

class People
{
public:
    People() 
    {
        cout << "People()" << endl;
    }

    People(string name)
    : name_(std::move(name))
    {
        cout << "People(string name)" << endl;
    }

private:
    string name_;
};

这里注意,上面的name采用传值,并没有带来开销,因为:

如果name传入的是一个右值,那么name本身采用移动构造,开销比复制小很多,相当于People(string &&name)

如果name传入的其他值,那么name是复制构造,然后移动给name_,也没有增加额外的开销。
对于构造函数,除了提供复制构造函数,还需要移动构造函数。如下:
class People
{
public:
    People() 
    {
        cout << "People()" << endl;
    }

    People(string name)
    : name_(std::move(name))
    {
        cout << "People(string name)" << endl;
    }

    People(const People &p)
    : name_(p.name_)
    {
        cout << "People(const People &p)" << endl;
    }
    People(People &&p)
    : name_(std::move(p.name_))
    {
        cout << "People(People &&p)" << endl;
    }

private:
    string name_;
};

注意在最后一个People(People &&p)中,移动p内的name时,必须显式使用move,来强制移动name成员。

同样,还有移动赋值运算符

另外,在C++98中,容器内的元素必须具备值语义,现在则不同,元素具备移动能力即可,后文我们在智能指针系列会提到unique_ptr,它可以放入vector中,但是不具有复制和赋值能力。

其他的影响请参考:如何评价 C++11 的右值引用(Rvalue reference)特性?

下文通过一个string的模拟实现,演示右值引用的使用。

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