[C++] 右值引用：移动语义与完美转发

C++11 引入的新特性中，除了并发内存模型和相关设施，这些高帅富之外，最引人入胜且接地气的特性就要属『右值引用』了（rvalue reference）。加入右值引用的动机在于效率：减少不必要的资源拷贝。考虑下面的程序：

std::vector v;
v.push_back("string");

　　向 vector 中添加一个元素，这个动作需要先后调用 string::string(const char*), string::string(const string&), string::~string() 三个函数，涉及两次内存拷贝：第一次使用字面常量 “string” 构造出一个临时对象，第二次使用该临时对象构造出 vector 中的一个新元素，『最后临时对象会发生析构』。

移动语义

　　上面程序操作的问题症结在于，临时对象的构造和析构带来了不必要的资源拷贝。如果有一种机制，可以在语法层面识别出临时对象，在使用临时对象构造新对象（拷贝构造）的时候，将临时对象所持有的资源『转移』到新的对象中，就能消除这种不必要的拷贝。这种语法机制就是『右值引用』，相对地，传统的引用被称为『左值引用』。左值引用使用 ‘&’ 标识（比如 string&），右值引用使用 ‘&&’ 标识（比如 string&&）。顺带提一下什么是左值（lvalue）什么是（rvalue）：可以取地址的具名对象是左值；无法取值的对象是右值，包括匿名的临时对象和所有字面值（literal value）。
　　有了右值的语法支持，为了实现移动语义，需要相应类以右值为参数重载传统的拷贝构造函数和赋值操作符，毕竟哪些资源可以移动、哪些只能拷贝只有类的实现者才知道。对于移动语义的拷贝『构造』，一般流程是将源对象的资源绑定到目的对象，然后解除源对象对资源的绑定；对于赋值操作，一般流程是，首先销毁目的对象所持有的资源，然后改变资源的绑定。另外，当然，与传统的构造和赋值相似，还要考虑到构造的异常安全和自赋值情况。作为演示：

class String {
public:
    String(const String &rhs) { ... }
    String(String &&rhs) {
        s_ = rhs.s_;
        rhs.s_ = NULL;
    }
    String& operator=(const String &rhs) { ... }
    String& operator=(String &&rhs) {
        if (this != &rhs) {
            delete [] s_;
            s_ = rhs.s_;
            rhs.s_ = NULL;
        }
        return *this;
    }
private:
    char *s_;
};

　　值得注意的是，一个绑定到右值的右值引用是『左值』，因为它是有名字的。考虑：

class B {
public:
    B(const B&) {}
    B(B&&) {}
};
class D : public B {
    D(const D &rhs) : B(rhs) {}
    D(D &&rhs) : B(rhs) {}
};
D getD();
D d(getD());

　　上面程序中，B::B(B&&) 不会被调用。为此，C++11 中引入 std::move(T&& t) 模板函数，它 t 转换为右值：

class D : public B {
    D(D &&rhs) : B(std::move(rhs)) {}
};

　　std::move 的一种可能的实现：

template <typename T>
typename remove_reference<T>::type&&
move(T &&t) {
    return static_cast<remove_reference<T>::type&&>(t);
}

绑定规则

　　引入右值引用后，『引用』到『值』的绑定规则也得到扩充：

1. 左值引用可以绑定到左值: int x; int &xr = x;
2. 非常量左值引用不可以绑定到右值: int &r = 0;
3. 常量左值引用可以绑定到左值和右值：int x; const int &cxr = x; const int &cr = 0;
4. 右值引用可以绑定到右值：int &&r = 0;
5. 右值引用不可以绑定到左值：int x; int &&xr = x;
6. 常量右值引用没有现实意义（毕竟右值引用的初衷在于移动语义，而移动就意味着『修改』）。

　　其中，第五条规则『不适用于』函数模板的形参，例如下面的函数可以接受任意类型的参数，既可以是右值也可以是左值，还可以是常量或者非常量：

template <typename T>
void foo(T &&t);
int x;
const int xx;
foo(x); //~ OK
foo(xx); //~ OK
foo(10); //~ OK

　　T&& 形参可以接受左值，是 C++11 针对这种特殊情况做的规则修订，目的是为了实现『完美转发』（perfect forwarding）。

完美转发

　　C++11 之前，一直存在着参数『转发』的问题，即不能方便地实现完美转发。转发的目的在于传递『引用参数』的附加属性，比如 cv 属性（const/volatile）和左右值属性。为了刻画这个问题，我们以左右值属性的传递为例（cv 属性也存在相似的问题），参考下面的类定义：

class X
{
public:
    X(const std::string &s, const std::vector &v) : s_(s), v_(v) {}
private:
    std::string s_;
    std::vector v_;
};

　　为了支持移动语义，就需要重载构造函数，由于构造函数有两个参数，还需要考虑到右值引用和左值引用的组合形式：

class X
{
public:
    X(const std::string &s, const std::vector &v) : s_(s), v_(v) {}
    X(std::string &&s, const std::vector &v) : s_(std::move(s)), v_(v) {}
    X(const std::string &s, std::vector &&v) : s_(s), v_(std::move(v)) {}
    X(std::string &&s, std::vector &&v) : s_(std::move(s)), v_(std::move(v)) {}
private:
    std::string s_;
    std::vector v_;
};

　　如果构造函数有 n 个参数，就需要 2^n 个重载！
　　C++11 中，通过基于右值引用的函数模板解决了这个问题，本质上是通过对实参类型的推演，按照实际情况，由编译器完成自动的『重载』。

class X
{
public:
    template <typename T1, typename T2>
    X(T1 &&s, T2 &&v) : s_(std::forward<T1>(s)), v_(std::forward<T2>(v)) {}
private:
    std::string s_;
    std::vector v_;
};

　　在介绍这种转发之前，先需要知道右值引用形参的函数模板的实参推演规则，即引用折叠（reference collapsing）。BTW. C++11 之前，不允许绑定到引用的引用类型（reference to reference）。
　　设 T 为模板的类型参数，A 为实参的基本类型，则有：

T	形参	折叠后的T	折叠后实参类型
A&	T&	A	A&
A&	T&&	A&	A&
A&&	T&	A&	A&
A&&	T&&	A	A&&

　　可以看到，当函数的形参声明为 T&& 时，当且仅当实参为右值或者右值引用，折叠后的的实参类型才是右值引用，否则为左值引用。通过这个折叠规则，就可以实现左右值引用属性的转发。std::forward 就可以简单地实现为：

template <typename T>
T&& forward(T &&t)
{
    return static_cast<T&&>(t);
}

总结

　　C++11 中引入很多特性，大多让人眼前一亮：靠，这就是我一直想要的啊！很多特性浏览一遍就清晰了，但右值引用相关的，尤其是完美转发相对来说比较绕，难以理顺。右值引用有两个应用，最基本的动机是移动语义，同时又给完美转发的支持带来契机。