一文看懂C++右值引用和移動語義

目錄

• 背景

• 什麼是右值引用

• 為什麼需要右值引用

• 移動構造

• move的原理

• move的應用場景

• 右值引用註意事項

• 總結

背景

C++11引入了右值引用，它也是C++11最重要的新特性之一。原因在於它解決了C++的一大歷史遺留問題，即消除了很多場景下的不必要的額外開銷。即使你的代碼中並不直接使用右值引用，也可以通過標準庫，間接地從這一特性中收益。為了更好地理解該特性帶來的優化，以及幫助我們實現更高效的程式，我們有必要瞭解一下有關右值引用的意義。

什麼是右值引用

右值

在引入右值的概念前，我們不妨先看看左值。一句話加以概括：左值就是等號左邊的值；同理，右值也就是等號右邊的值。舉個例子：int a = 2;

這裡的a是等號左邊，可以通過取址符&來獲取地址，所以是一個左值。而5在等號右邊，無法通過取址符&來獲取地址，所以只一個右值。

右值引用

左值引用是對於左值的引用或者叫別名。同樣地，右值引用也就是對於右值的引用。語法也很簡單，就是在左值引用的語法之上在多加一個&，寫成類型 &&右值引用名 = 右值;的形式即可，比如：

int &&a = 5;
a = 6;
string s1 = "hello";
string &&s2 = s1 + s1;
s2 += s1;

上述簡單例子，展示了右值引用的基本用法。不過通常情況下，右值引用更多的是被用於處理函數參數。比如：

struct Student {
    Student(Student &&s);
};

為什麼要使用右值引用

在C++11之前，很多C++程式里存在大量的臨時對象，又稱無名對象。主要出現在如下場景：

• 函數的返回值
• 用戶自定義類型經過一些計算後產生的臨時對象
• 值傳遞的形參

先說函數的返回值，最常見的類型就是某些返回用戶自定義類型的時候，如果沒有將其複製，就會產生臨時對象，比如：

Student func1();	// 返回一個Student對象
...
func1();			// 調用了func1創建了一個Student對象，但是沒有使用，於是編譯器創建了一個臨時對象來進行存儲

然後是某些計算操作後產生的臨時對象，比如：

Complex result = c1 + c2 + c3;	// 編譯器先計算c1 + c2的結果，並產生一個臨時對象temp來存儲結果，然後計算temp + c3的結果，然後將結果複製給result

還有值傳遞的方式的形參，例如：

void func(Student s);	// 值傳遞
...
Student stu;
func(stu);	// 這裡相當於是做了一次複製操作	Student s(stu);

而且這些臨時對象隨著生命周期的結束，編譯器還會調用一次析構函數。隨著這些操作次數的增加，或者當臨時變數是個很大的類型時，這無疑會極大提高程式的開銷，從而降低程式的效率。

C++11之後，隨著右值引用的出現，可以有效的解決這些問題。通過move和移動構造，移動賦值運算符函數來獲得臨時對象的所有權，從而避免拷貝帶來的額外開銷，提高程式效率

移動構造

我們都知道，由於C++11之前，如果沒有手動聲明，編譯器會給一個用於自定義類型（包括class和struct）自動生成的4個函數，分別是構造函數，拷貝構造函數，賦值運算符重載函數和析構函數。雖然通過傳引用的方式，可以避免對象的複製。但是還是沒法避免上述的臨時對象的複製。而移動語義成功的解決的這個問題。

在C++11之後，編譯器自動生成的函數中又新增了2個，它們就是移動構造和移動賦值運算符重載函數，通過它們，我們可以很好地實現對用戶自定義類型的移動操作。而移動的本質就是獲取臨時對象的所有權，而不是通過複製的方式來獲得。直接看代碼：

class Foo {
public:
    Foo(Foo &&rhs) : ptr_(rhs.ptr_) {
        delete rhs.ptr_;
    }
    
    Foo &operator(Foo &&rhs) {
        if (*this != rhs) {
            ptr_ = rhs.ptr_;
            delete rhs.ptr_;
        }
        return *this;
    }
    
private:
    int *ptr_;
};

Foo類重載了移動構造函數和移動賦值運算重載函數，使得Foo獲得了移動的能力，當我們在面對產生臨時的對象的時候，編譯器就會根據傳入的參數是左值還是右值來選擇調用拷貝還是移動。如果是右值，就調用移動構造或移動賦值運算符函數。當Foo是一個很大的對象時候，就會極大的降低開銷，提高程式效率。

move的應用場景

通過上述例子，我們可以看到移動並不是說完全沒有開銷，甚至有的時候開銷並不一定比拷貝低，具體還是要看臨時對象的大小和類型決定，例如：

vector<vector<int>> func() {
    vector<vector<int>> result;
    for (...) {
        vector<int> temp;
        ...
        temp.emplace_back(move(5));			// 沒必要，直接傳就行了
        ...
        result.emplace_back(move(temp));	// ok，移動代替拷貝操作，提高了效率
    }
    return result;
}

STL的大部分組件都支持移動語義，比如vector，string等即可以通過move轉換右值後調用移動構造函數進行移動操作來避免深拷貝。還有一些類是只允許移動，不允許拷貝，從而更讓設計更符合邏輯，比如unique_ptr

move的原理

move函數的源碼並不複雜：

template<class _Ty> 
inline _CONST_FUN typename remove_reference<_Ty>::type&& move(_Ty&& _Arg) _NOEXCEPT {
    return (static_cast<typename remove_reference<_Ty>::type&&>(_Arg));
}

我們可以一眼看到，move的實現其實就做了一件事，如果是左值，就通過static_cast將傳進來的參數強轉為右值並返回；如果是右值，甚至不用轉換，直接返回。

右值移動的註意事項

• 和左值移動一樣，都需要直接初始化
• 右值引用無法指向左值，除非使用move將其轉成右值，否則編譯報錯
• 當對象是基本類型的時候，沒必要調用move，因為拷貝的開銷可能還不如函數調用的開銷大，尤其是在迴圈內的時候，需要仔細考慮
• move並不會一定真的能移動，它只是將左值強轉成右值，只有當該用戶自定義類型重載了移動構造和移動運算符重載函數時才會進行移動操作
• 現代編譯在處理返回值的時候，通常都會進行返回值優化，尤其是標準庫的組件，使用move來接收返回值反而會增加開銷
• 移動之後的對象就被析構，所以通常是對一些臨時對象，或者不再使用的對象進行移動操作。如果還要繼續使用該對象，就要使用拷貝而不是移動操作
• 右值引用變數本身是個左值，如果想要右值引用指向右值引用，需要使用move轉成右值
• const 左值引用也可以指向右值，但是無法進行修改