C++11中的右值引用和移动语义

右值引用是C++11中新增的一种新的引用类型,它可以通过减少内存的重复申请、拷贝和释放,有效的提高C++程序的性能。理解什么是右值引用,首先要理解C++11中的lvalue、rvalue、xvalue,详情请参考:C++11 中的左值、右值和将亡值.

右值引用和非常量引用的唯一区别是,非常量引用(non-const reference)通常绑定一个非临时变量,而右值引用通常绑定一个临时变量。

一个常量引用(const reference)既可以绑定临时变量,也可以绑定非临时变量。正是因为常量引用(const reference)的这个特性,当类的声明中没有移动构造函数时,即A(A&& rhs){},传递临时变量,任然可以调用A(const A& rsh){}构造函数进行构造。

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右值引用,避免深拷贝

一个深拷贝的例子

class A
{
public:
    A() : m_ptr(new int(0))
    {
        cout << "construct" << endl;
    }
    A(const A& rhs) : m_ptr(new int(*rhs.m_ptr)) // 拷贝构造函数
    {
        cout << "copy construct" << endl;
    }
    ~A()
    {
        cout << "destruct" << endl;
        delete m_ptr;
    }
private:
    int* m_ptr;
};

A Get(bool flag)
{
    A a, b;
    if (flag)
    {
        return a;
    }
    return b;
}

int main()
{
    A a = Get(false);//调用拷贝构造函数
    return 0;
}

执行结果:
construct
construct
copy construct
destruct
destruct
destruct

问题:上述例子中Get函数会返回临时变量,然后通过这临时变量拷贝构造一个新的对象a,临时变量在拷贝构造完成之后就销毁了,如果堆内存很大,这个拷贝构造就比较消耗时间,带来性能的损耗,是否有方法避免临时对象的拷贝构造呢?
答案:右值引用

改进深拷贝的例子

在class A中添加如下移动构造函数

A(A&& rhs) : m_ptr(rhs.m_ptr) //移动构造函数
{
  rhs.m_ptr = nullptr;
  cout << "move construct" << endl;
}

执行结果:
construct
construct
move construct
destruct
destruct
destruct

  • 改进之后,不再调用拷贝构造函数,而是调用了移动构造函数(move construct)。从移动构造函数的实现可以看到,它的参数是一个右值引用类型的参数T&&,这里没有深拷贝,只有浅拷贝,这样就避免了对临时对象的深拷贝,和资源的重复申请和释放,提高了性能;
  • Get(false)函数返回的是一个右值,因此调用了参数类型为A&&的移动构造函数;
  • 移动构造函数只是将临时对象的资源做了浅拷贝,从而避免了深拷贝的开销,提高了性能;
  • 这就是所谓的移动语义(move semantic),右值引用的一个重要目的就是支持移动语义;
    移动构造和拷贝构造的内存变化情况如下图所示:


    image.png

    假设对象A中有一个指向堆内存的指针m_ptr,则在拷贝构造B时,B会重新申请一份和A相同的内存并拷贝A.m_ptr内存中的内容,然后释放A.m_ptr。


    image.png

    若使用移动构造,则B只需要先将B.m_ptr=A.m_ptr,再将A.m_ptr设置为nullptr即可,这样就避免了内存的重新申请、拷贝和释放。

左值引用和右值引用

  • 右值引用就是对一个右值进行引用的类型,因为右值不具名,因此只能通过引用的方式找到它;
  • 通过右值引用的声明,该右值又“重获新生”,其声明周期与右值引用类型变量的生命周期一样;
  • 无论声明为右值引用还是左值引用都必须立即初始化;

右值引用主要为了解决下面两个问题

  1. 移动语义 (move semantic)
  2. 完美转发 (perfect forwarding)

移动语义(move semantic)

问题: 移动语义是通过右值引用来匹配临时值的,那么,普通的左值是否也能借助移动语义来优化性能呢?

  • C++11 为了解决上述问题,提供了std::move方法来将左值转换为右值,从而方便应用移动语义;
  • move实际上并不能移动任何东西,他唯一的功能是将一个左值强制转换为一个右值引用,使我们可以通过右值引用使用该值;
  • It's confusing, because "move" is a verb; it sounds like it should do something. But in fact it's just a cast, just like const_cast or reinterpret_cast. Like those casts, std::move just lets us use an object in a different way; on its own, it doesn't do anything.

模拟string中移动构造函数的例子

  class string {
 public:
  string(const string& other);  // Copy constructor, exists pre C++11

  string(string&& other) {      // Move constructor, new in C++11
    length = other.length;
    capacity = other.capacity;
    data = other.data;
    other.data = nullptr;
  }

 private:
  size_t length;
  size_t capacity;
  const char* data;
};
  • 移动构造函数的处理流程:① 获取临时变量other中的指针、拷贝其他非指针成员,② 将临时对象的指针设置为空,other.data = nullptr;。若不将other.data设置为空,other.data 将被释放两次,导致程序异常。下面是使用string的例子,当使用临时变量构造时,调用移动构造函数。
string a(get_string());  // move constructor
string b(a);             // copy constructor
string c(std::move(b));  // move constructor

注意:若string中没有移动构造函数string(string&& other),上述的string c(std::move(b));仍然将调用拷贝构造函数进行构造,因为string(const string& other)的参数是const reference。

模拟string中的赋值操作符

通过上面的分析,你肯定发现这种写法也可以应用到string的赋值操作符上,代码如下:

class string {
 public:
  string& operator=(const string& other); // Copy assn operator, pre C++11
  string& operator=(string&& other) {     // Move assn operator, new in C++11
    length = other.length;
    capacity = other.capacity;
    delete data;  // OK even if data is null
    data = other.data;
    other.data = nullptr;
    return *this;
  }
};

string a, b;
a = get_string();  // Move assignment
a = b;             // Copy assignment
a = std::move(b);  // Move assignment

C++11中,编译器将会在类中自动添加移动构造函数和移动赋值操作符,因此C++11中,声明一个类,编译器会默认添加构造函数、拷贝构造函数、析构函数、移动构造函数和移动赋值操作,号称类中的"5驾马车",而不是C++11之前的“3驾马车”。

若用户自定义拷贝构造函数,编译器将不会自动添加移动构造函数和移动赋值操作。可以在这些函数之后添加 = delete,显示的阻止编译器自动添加对应的函数。

完美转发 (perfect forwarding)

转下一篇C++11 模板推导、引用折叠和完美转发

参考