C++11中的右值引用与移动语义

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C++11的一个最主要的特性就是可以移动而非拷贝对象的能力。很多情况都会发生对象的拷贝,有时对象拷贝后就立即销毁,在这些情况下,移动而非拷贝对象会大幅度提升性能。

右值与右值引用

为了支持移动操作,新标准引入了一种新的引用类型——右值引用,就是必须绑定到右值的引用。我们通过&&而不是&来获得右值引用。右值引用一个重要的特性就是只能绑定到将要销毁的对象。

左值和右值是表达式的属性,一些表达式生成或要求左值,而另一些则生成或要求右值。一般而言,一个左值表达式表示的是一个对象的身份,而右值表达式表示的是对象的值。(可以取地址的、有名字的就是左值;不能取地址的、没有名字的就是右值。)两者明显的区别就是左值有持久的状态,而右值要么是字面常量,要么是在表达式求值过程中创建的临时对象

类似于常规引用(左值引用),一个右值引用也不过是某个对象的另一个名字而已。我们不能将左值引用绑定到要求转换的表达式、字面常量或是返回值的表达式,也不能把右值应用直接绑定到一个左值上。但是,常量左值引用可以绑定到非常量左值、常量左值、右值,是一个万能引用类型。不过相比右值引用所引用的右值,常量左值引用所引用的右值在它的“余生”中只能是只读的。

int i = 42;
int &r = i;          //r引用i
int &r2 = i*2;       //错误,i*2是一个右值
int &&rr = i;       //错误,不能将一个右值引用绑定到一个左值上
int &&rr2 = i*2;     //正确,将rr2绑定到一个乘法结果上
const int &r3 = i*2; //正确,将一个常量引用绑定到一个右值上

变量可以看做只有一个运算对象而没有运算符的表达式,是一个左值。我们不能将一个右值引用直接绑定到一个变量上,即使这个变量是右值引用类型。但是,我们可以通过新标准库中的move函数来获得绑定到左值上的右值引用。

int &&rr3 = std::move(rr2);

注意,被转化的左值,其生命周期并没有随着左右至的转化而改变,在转换之后使用左值可能造成运行时错误。因此,调用move就意味着承诺:除了对原左值变量赋值或销毁它外,我们将不再使用它。不过更多的时候,我们需要转换成右值引用的还是一个确实生命周期即将结束的对象。

移动构造函数和移动赋值运算符

为了让自定义类型也支持移动操作,需要为其定义移动构造函数和移动赋值运算符。这两个成员类似对应的拷贝操作,但它们从给定对象窃取资源而不是拷贝资源。类似于拷贝构造函数,移动构造函数的第一个参数是该类类型的一个右值引用,任何额外的参数都必须有默认实参。除了完成资源移动外,移动构造函数还必须确保移后源对象处于有效的、可析构的状态。

#include <iostream>  
#include <algorithm>  
  
class MemoryBlock  
{  
public:  
    // 构造函数
    explicit MemoryBlock(size_t length) : _length(length) , _data(new int[length])  {} 
  
    // 析构函数 
    ~MemoryBlock()  
    {
        if (_data != nullptr)   delete[] _data;
    } 
    
    // 拷贝赋值运算符 
    MemoryBlock& operator=(const MemoryBlock& other)  
    { 
        if (this != &other)  
        {  
            delete[] _data;  
            _length = other._length;  
            _data = new int[_length];  
            std::copy(other._data, other._data + _length, _data);  
        }  
        return *this;  
    } 
  
    // 拷贝构造函数 
    MemoryBlock(const MemoryBlock& other)  
        : _length(0)  
        , _data(nullptr)  
    { 
        *this = other; 
    } 
    
    // 移动赋值运算符,通知标准库该构造函数不抛出任何异常(如果抛出异常会怎么样?)
    MemoryBlock& operator=(MemoryBlock&& other)  noexcept
    {
        if (this != &other)  
        {    
            delete[] _data;  
            // 移动资源
            _data = other._data;  
            _length = other._length;  
            // 使移后源对象处于可销毁状态
            other._data = nullptr;  
            other._length = 0;  
        }  
        return *this;  
    }
    
    // 移动构造函数
    MemoryBlock(MemoryBlock&& other)  noexcept
        _data(nullptr)  
        , _length(0)  
    {  
        *this = std::move(other);  
    }  

    size_t Length() const  
    {  
        return _length;  
    }  

private:  
    size_t _length; // The length of the resource.  
    int* _data; // The resource.  
}; 

只有当一个类没有定义任何自己版本的拷贝控制成员,且类的每个非static数据成员都可移动时,编译器才会为它合成移动构造函数会移动赋值运算符。编译器可以移动内置类型;如果一个类类型有对应的移动操作,编译器也能移动这个类型的成员。此外,定义了一个移动构造函数或移动赋值运算符的类必须也定义自己的拷贝操作;否则,这些成员默认地定义为删除的。而移动操作则不同,它永远不会隐式定义为删除的。但如果我们显式地要求编译器生成=defualt的移动操作,且编译器不能移动所有成员,则编译器会将移动操作定义为删除的函数。

如果一个类既有移动构造函数又有拷贝构造函数,编译会使用普通的函数匹配规则来确定使用哪个构造函数。但如果只定义了拷贝操作而未定义移动操作,编译器不会合成移动构造函数,此时即使调用move来移动它们,也是调用的拷贝操作。

class Foo{
public:
    Foo() = default;
    Foo(const Foo&);
    // 为定义移动构造函数
};
Foo x;
Foo y(x);                 //调用拷贝构造函数
Foo z(std::move(x));      //调用拷贝构造函数,因为未定义移动构造函数

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