【重学C++】04 | 说透C++右值引用、移动语义、完美转发（上）

2023-05-23 09:46 由会玩code 发表于 #后端开发

文章首发

引言

大家好，我是只讲技术干货的会玩code，今天是【重学C++】的第四讲，在前面《03 | 手撸C++智能指针实战教程》中，我们或多或少接触了右值引用和移动的一些用法。

右值引用是 C++11 标准中一个很重要的特性。第一次接触时，可能会很乱，不清楚它们的目的是什么或者它们解决了什么问题。接下来两节课，我们详细讲讲右值引用及其相关应用。内容很干，注意收藏！

左值 vs 右值

简单来说，左值是指可以使用&符号获取到内存地址的表达式，一般出现在赋值语句的左边，比如变量、数组元素和指针等。

int i = 42;
i = 43; // ok, i是一个左值
int* p = &i; // ok, i是一个左值，可以通过&符号获取内存地址

int& lfoo() { // 返回了一个引用，所以lfoo()返回值是一个左值
	int a = 1;
	return a; 
};
lfoo() = 42; // ok, lfoo() 是一个左值
int* p1 = &lfoo(); // ok, lfoo()是一个左值

相反，右值是指无法获取到内存地址的表达是，一般出现在赋值语句的右边。常见的有字面值常量、表达式结果、临时对象等。

int rfoo() { // 返回了一个int类型的临时对象，所以rfoo()返回值是一个右值
	return 5;
};

int j = 0;
j = 42; // ok, 42是一个右值
j = rfoo(); // ok, rfoo()是右值
int* p2 = &rfoo(); // error, rfoo()是右值，无法获取内存地址

左值引用 vs 右值引用

C++中的引用是一种别名，可以通过一个变量名访问另一个变量的值。

上图中，变量a和变量b指向同一块内存地址，也可以说变量a是变量b的别名。

在C++中，引用分为左值引用和右值引用两种类型。左值引用是指对左值进行引用的引用类型，通常使用&符号定义；右值引用是指对右值进行引用的引用类型，通常使用&&符号定义。

class X {...};
// 接收一个左值引用
void foo(X& x);
// 接收一个右值引用
void foo(X&& x);

X x;
foo(x); // 传入参数为左值，调用foo(X&);

X bar();
foo(bar()); // 传入参数为右值，调用foo(X&&);

所以，通过重载左值引用和右值引用两种函数版本，满足在传入左值和右值时触发不同的函数分支。

值得注意的是，void foo(const X& x);同时接受左值和右值传参。

void foo(const X& x);
X x;
foo(x); // ok, foo(const X& x)能够接收左值传参

X bar();
foo(bar()); // ok, foo(const X& x)能够接收右值传参

// 新增右值引用版本
void foo(X&& x);
foo(bar()); // ok， 精准匹配调用foo(X&& x)

到此，我们先简单对右值和右值引用做个小结：

像字面值常量、表达式结果、临时对象等这类无法通过&符号获取变量内存地址的，称为右值。
右值引用是一种引用类型，表示对右值进行引用，通常使用&&符号定义。

右值引用主要解决一下两个问题：

实现移动语义
实现完美转发

这一节我们先详细讲讲右值是如何实现移动效果的，以及相关的注意事项。完美转发篇幅有点多，我们留到下节讲。

复制 vs 移动

假设有一个自定义类X，该类包含一个指针成员变量，该指针指向另一个自定义类对象。假设O占用了很大内存，创建/复制O对象需要较大成本。

class O {
public:
	O() {
		std::cout << "call o constructor" << std::endl;
	};
	O(const O& rhs) {
		std::cout << "call o copy constructor." << std::endl;
	}
};

class X {
public:
	O* o_p;
	X() {
		o_p = new O();
	}
	~X() {
		delete o_p;
	}
};

X 对应的拷贝赋值函数如下：

X& X::operator=(X const & rhs) {
	// 根据rhs.o_p生成的一个新的O对象资源
	O* tmp_p = new O(*rhs.o_p);
	// 回收x当前的o_p;
	delete this->o_p;
	// 将tmp_p 赋值给 this.o_p;
	this->o_p = tmp_p;
	return *this;
}

假设对X有以下使用场景：

X x1;
X x2;
x1 = x2;

上述代码输出：

call o constructor
call o constructor
call o copy constructor

x1和x2初始化时，都会执行new O(), 所以会调用两次O的构造函数；执行x1=x2时，会调用一次O的拷贝构造函数，根据x2.o_p复制一个新的O对象。

由于x2在后续代码中可能还会被使用，所以为了避免影响x2，在赋值时调用O的拷贝构造函数复制一个新的O对象给x1在这种场景下是没问题的。

但在某些场景下，这种拷贝显得比较多余：

X foo() {
	return X();
};

X x1;
x1 = foo();

代码输出与之前一样：

call o constructor
call o constructor
call o copy constructor

在这个场景下，foo()创建的那个临时X对象在后续代码是不会被用到的。所以我们不需要担心赋值函数中会不会影响到那个临时X对象，没必要去复制一个新的O对象给x1。

更高效的做法，是直接使用swap交换临时X对象的o_p和x1.o_p。这样做有两个好处：1. 不用调用耗时的O拷贝构造函数，提高效率；2. 交换后，临时X对象拥有之前x1.o_p指向的资源，在析构时能自动回收，避免内存泄漏。

这种避免高昂的复制成本，而直接将资源从一个对象"移动"到另外一个对象的行为，就是C++的移动语义。

哪些场景适用移动操作呢？无法获取内存地址的右值就很合适，我们不需要担心后续的代码会用到该右值。

最后，我们看下移动版本的赋值函数

X& operator=(X&& rhs) noexcept {
	std::swap(this->o_p, rhs.o_p);
	return *this;
};

看下使用效果：

X x1;
x1 = foo();

输出结果：

call o constructor
call o constructor

右值引用一定是右值吗？

假设我们有以下代码：

class X {
public:
	// 复制版本的赋值函数
	X& operator=(const X& rhs);

	// 移动版本的赋值函数
	X& operator=(X&& rhs) noexcept;
};

void foo(X&& x) {
	X x1;
	x1 = x;
}

类X重载了复制版本和移动版本的赋值函数。现在问题是：x1=x这个赋值操作调用的是X& operator=(const X& rhs)还是 X& operator=(X&& rhs)？
针对这种情况，C++给出了相关的标准：

Things that are declared as rvalue reference can be lvalues or rvalues. The distinguishing criterion is: if it has a name, then it is an lvalue. Otherwise, it is an rvalue.

也就是说，只要一个右值引用有名称，那对应的变量就是一个左值，否则，就是右值。

回到上面的例子，函数foo的入参虽然是右值引用，但有变量名x，所以x是一个左值，所以operator=(const X& rhs)最终会被调用。

再给一个没有名字的右值引用的例子

X bar();
// 调用X& operator=(X&& rhs)，因为bar()返回的X对象没有关联到一个变量名上
X x = bar();

这么设计的原因也挺好理解。再改下foo函数的逻辑：

void foo(X&& x) {
	X x1;
	x1 = x;
	...
	std::cout << *(x.inner_ptr) << std::endl;
}

我们并不能保证在foo函数的后续逻辑中不会访问到x的资源。所以这种情况下如果调用的是移动版本的赋值函数，x的内部资源在完成赋值后就乱了，无法保证后续的正常访问。

std::move

反过来想，如果我们明确知道在x1=x后，不会再访问到x，那有没有办法强制走移动赋值函数呢？

C++提供了std::move函数，这个函数做的工作很简单：通过隐藏掉入参的名字，返回对应的右值。

X bar();
X x1
// ok. std::move(x1)返回右值，调用移动赋值函数
X x2 = std::move(x1);
// ok. std::move(bar())与 bar()效果相同，返回右值，调用移动赋值函数
X x3 = std::move(bar());

最后，用一个容易犯错的例子结束这一环节

class Base {
public:
	// 拷贝构造函数
	Base(const Base& rhs);
	// 移动构造函数
	Base(Base&& rhs) noexcept;
};

class Derived : Base {
public:
	Derived(Derived&& rhs)
	// wrong. rhs是左值，会调用到 Base(const Base& rhs).
	// 需要修改为Base(std::move(rhs))
	: Base(rhs) noexcept {
		...
	}
}

返回值优化

依照惯例，还是先给出类X的定义

class X {
public:
	// 构造函数
	X() {
		std::cout << "call x constructor" <<std::endl;
	};
	// 拷贝构造函数
	X(const X& rhs) {
		std::cout << "call x copy constructor" << std::endl;
	};
	// 移动构造函数
	X(X&& rhs) noexcept {
		std::cout << "call x move constructor" << std::endl
	};
}

大家先思考下以下两个函数哪个性能比较高？

X foo() {
  X x;
  return x;
};

X bar() {
  X x;
  return std::move(x);
}

很多读者可能会觉得foo需要一次复制行为：从x复制到返回值；bar由于使用了std::move，满足移动条件，所以触发的是移动构造函数：从x移动到返回值。复制成本 > 移动成本，所以bar性能更好。

实际效果与上面的推论相反，bar中使用std::move反倒多余了。现代C++编译器会有返回值优化。换句话说，编译器将直接在foo返回值的位置构造x对象，而不是在本地构造x然后将其复制出去。很明显，这比在本地构造后移动效率更快。

以下是foo和bar的输出：

// foo
call x constructor

// bar
call x constructor
call x move constructor

移动需要保证异常安全

细心的读者可能已经发现了，在前面的几个小节中，移动构造/赋值函数我都在函数签名中加了关键字noexcept，这是向调用者表明，我们的移动函数不会抛出异常。

这点对于移动函数很重要，因为移动操作会对右值造成破坏。如果移动函数中发生了异常，可能会对程序造成不可逆的错误。以下面为例

class X {
public:
	int* int_p;
	O* o_p;

	X(X&& rhs) {
		std::swap(int_p, rhs.int_p);
		...
		其他业务操作
		...
		std::swap(o_p, rhs.o_p);
	}
}

如果在「其他业务操作」中发生了异常，不仅会影响到本次构造，rhs内部也已经被破坏了，后续无法重试构造。所以，除非明确标识noexcept，C++在很多场景下会慎用移动构造。

比较经典的场景是std::vector 扩缩容。当vector由于push_back、insert、reserve、resize 等函数导致内存重分配时，如果元素提供了一个noexcept的移动构造函数，vector会调用该移动构造函数将元素移动到新的内存区域；否则，则会调用拷贝构造函数，将元素复制过去。

总结

今天我们主要学了C++中右值引用的相关概念和应用场景，并花了很大篇幅讲解移动语义及其相关实现。

右值引用主要解决实现移动语义和完美转发的问题。我们下节接着讲解右值是如何实现完美转发。欢迎关注，及时收到推送～