对‘pthread_create’未定义的引用_深入浅出 C++ 11 右值引用

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1 写在前面

如果你还不知道 C++ 11 引入的右值引用是什么，可以读读这篇文章，看看有什么 启发；如果你已经对右值引用了如指掌，也可以读读这篇文章，看看有什么 补充。欢迎交流~

尽管 C++ 17 标准 在去年底已经正式发布了，但由于 C++ 语言变得 越来越复杂，让许多人对很多新特性 望而却步。

对于 2011 年发布的 C++ 11 标准，很多人虽然对 右值引用/移动语义/拷贝省略/通用引用/完美转发 之类的概念都 有所耳闻，却没有详细了解其 设计初衷/实现原理，甚至对一些细节 有所误解(包括我 )。

我刚开始学习 C++ 的时候，也常常 混淆 这几个 概念。但随着深入了解、与人探讨，才逐步理清楚这几个概念的来龙去脉。先分享几个我曾经犯过的错误。

1.1 误解：返回前，移动局部变量

ES.56: Write std::move() only when you need to explicitly move an object to another scope

std::

上述代码的问题在于：使用 std::move() 移动局部变量 base_url，会导致后续代码不能使用该变量；如果使用，会出现 未定义行为 (undefined behavior)(参考：std::basic_string(basic_string&&))。

如何检查 移动后使用 (use after move)：

• 运行时，在移动构造函数中，将被移动的值设置为无效状态，并在每次使用前检查有效性

• 编译时，使用 Clang 标记对移动语义进行静态检查(参考：Consumed Annotation Checking | Attributes in Clang)

1.2 误解：被移动的值不能再使用

C.64: A move operation should move and leave its source in a valid state

auto p = 

很多人认为：被移动的值会进入一个 非法状态 (invalid state)，对应的内存不能再访问。

其实，C++ 标准要求对象 遵守 § 3 移动语义：被移动的对象进入一个 合法但未指定状态 (valid but unspecified state)，调用该对象的方法不会出现异常。要求处于这个状态的对象：

• (基本要求)能正确析构(不会重复释放已经被移动了的资源，例如 std::unique_ptr::~unique_ptr() 检查指针是否需要 delete)

• (一般要求)重新赋值后，和新的对象没有差别(C++ 标准库基于这个假设)

• (更高要求)恢复为默认值(例如 std::unique_ptr 恢复为 nullptr)

另外，基本类型的值(例如 int/double)的移动和拷贝相同。例如，int i = 42; 被移动后，保持为原有值 i == 42。

1.3 误解：移动返回值

F.48: Don’t return std::move(local)

std::unique_ptr foo() {

上述代码的问题在于：没必要使用 std::move() 移动返回值。

C++ 会把 即将离开作用域的 返回值 当成 右值(参考 § 2.1)，对返回的对象进行 § 3 移动构造(语言标准)；如果编译器允许 § 4 拷贝省略，还可以省略这一步的构造，直接把 ret 存放到返回值的内存里(编译器优化)。

Never apply std::move() or std::forward() to local objects if they would otherwise be eligible for the return value optimization. —— Meyer Scott, Effective Modern C++

另外，误用 std::move() 会 阻止 编译器的拷贝省略 优化。不过聪明的 Clang 会提示 -Wpessimizing-move 警告。

1.4 误解：不移动右值引用参数

F.18: For “will-move-from” parameters, pass by X&& and std::move() the parameter

std::unique_ptr bar(std::unique_ptr&& val) {

上述代码的问题在于：没有对返回值使用 std::move()(编译器提示 std::unique_ptr(const std::unique_ptr&) = delete 错误)。

If-it-has-a-name Rule:

• Named rvalue references are lvalues.

• Unnamed rvalue references are rvalues.

因为不论 左值引用 还是 右值引用 的变量(或参数)在初始化后，都是左值(参考 § 2.1)：

• 在作用域内，左值 可以 被取地址、被赋值

• 命名的右值引用变量 (named rvalue reference variable) 是 左值，但变量类型 却是 右值引用

所以，返回右值引用变量时，需要使用 std::move()/std::forward() 显式的 § 5.4 移动转发 或 § 5.3 完美转发，将变量的类型 “还原” 为右值引用。

1.5 误解：手写错误的移动构造函数

C.20: If you can avoid defining default operations, do

C.21: If you define or =delete any default operation, define or =delete them all

C.80: Use =default if you have to be explicit about using the default semantics

C.66: Make move operations noexcept

实际上，多数情况下：

• 如果 没有定义 构造/析构函数，编译器会 自动生成 移动构造/赋值函数(rule of zero)

• 如果 需要定义 构造/析构函数，不要忘了 移动构造/赋值函数，否则对象会 不可移动(rule of five)

• 尽量使用 =default 让编译器生成 移动构造/赋值函数，否则 容易写错

• 如果 需要自定义 移动构造/赋值函数，尽量定义为 noexcept 不抛出异常(编译器生成的版本会自动添加)，否则 不能高效 使用标准库和语言工具

例如，标准库容器 std::vector 在扩容时，会通过 std::vector::reserve() 重新分配空间，并转移已有元素。如果扩容失败，std::vector 满足 强异常保证 (strong exception guarantee)，可以回滚到失败前的状态。

为此，std::vector 使用 std::move_if_noexcept() 进行元素的转移操作：

• 优先 使用 noexcept 移动构造函数(高效；不抛出异常)

• 其次 使用 拷贝构造函数(低效；如果异常，可以回滚)

• 再次 使用 非 noexcept 移动构造函数(高效；如果异常，无法回滚)

• 最后 如果 不可拷贝、不可移动，编译失败

如果 没有定义移动构造函数 或 自定义的移动构造函数没有 noexcept，会导致 std::vector 扩容时执行无用的拷贝，不易发现。

2 基础知识

之所以会出现上边的误解，往往是因为 C++ 语言的复杂性 和 使用者对基础知识的掌握程度 不匹配。

2.1 值类别 vs 变量类型

划重点 —— 值 (value) 和 变量 (variable) 是两个独立的概念：

• 值 只有 类别 (category) 的划分，变量 只有 类型 (type) 的划分

• 值 不一定拥有 身份 (identity)，也不一定拥有 变量名(例如 表达式中间结果 i + j + k)

值类别 (value category) 可以分为两种：

• 左值 (lvalue, left value) 是 能被取地址、不能被移动 的值

• 右值 (rvalue, right value) 是 表达式中间结果/函数返回值(可能拥有变量名，也可能没有)

C++ 17 细化了 prvalue/xvalue/lvalue 和 rvalue/glvalue 类别，本文不详细讨论。

引用类型 (reference type) 属于一种 变量类型 (variable type)，将在 § 2.2 详细讨论。

在变量 初始化 (initialization) 时，需要将 初始值 (initial value) 绑定到变量上；但 引用类型变量 的初始化 和其他变量不同：

• 创建时，必须显式初始化(和指针不同，不允许 空引用 (null reference)；但可能存在 悬垂引用 (dangling reference))

• 相当于是 其引用的值 的一个 别名 (alias)(例如，对引用变量的 赋值运算 (assignment operation) 会赋值到 其引用的值 上)

• 一旦绑定了初始值，就 不能重新绑定 到其他值上了(和指针不同，赋值运算不能修改引用的指向；而对于 Java/JavaScript 等语言，对引用变量赋值 可以重新绑定)

2.2 左值引用 vs 右值引用 vs 常引用

引用类型 可以分为两种：

• 左值引用 (l-ref, lvalue reference) 用 & 符号引用 左值(但不能引用右值)

• 右值引用 (r-ref, rvalue reference) 用 && 符号引用 右值(也可以移动左值)

void f(Data&  data);  

• 左值引用 变量 data1 在初始化时，不能绑定右值 Data{}

• 右值引用 变量 data2 在初始化时，不能绑定左值 data

  • 但可以通过 std::move() 将左值 转为右值引用(参考 § 5.4)

• 右值引用 变量 data2 被初始化后，在作用域内是 左值(参考 § 1.4)，所以匹配 f() 的 重载 2

另外，C++ 还支持了 常引用 (c-ref, const reference)，同时接受 左值/右值 进行初始化：

void g(const Data& data);  

常引用和右值引用 都能接受右值的绑定，有什么区别呢？

• 通过 右值引用/常引用 初始化的右值，都可以将 生命周期扩展 (lifetime extension) 到 绑定该右值的 引用的生命周期

• 初始化时 绑定了右值后，右值引用 可以修改 引用的右值，而 常引用 不能修改

• 如果函数同时接受 右值引用/常引用 参数，编译器 优先重载 右值引用参数

const Data& data1 = Data{};   

2.3 引用折叠

引用折叠 (reference collapsing) 是 std::move()/std::forward() 的实现基础：

using Lref = Data&;

3 移动语义

在 C++ 11 强化左右值概念后，我们可以针对右值进行优化。于是，C++ 11 中就提出了 移动语义 (move semantic)：

• 由于右值对象一般是临时对象，在移动时，对象包含的资源 不需要先复制再删除，只需要直接 从旧对象移动到新对象

• 要求被移动的对象，能正确析构(参考 § 1.2)

由于基本类型不包含资源，其移动和拷贝相同：被移动后，保持为原有值。

3.1 避免先复制再释放资源

针对包含了资源的对象，我们可以通过移动对象的资源进行优化。例如，常用的 STL 类模板都有：

• 以常引用作为参数的 拷贝构造函数 (copy constructor)

• 以右值引用作为参数的 移动构造函数 (move constructor)

template<

上述代码中，构造函数 vector::vector() 根据参数的左右值类型判断：

• 参数为左值时，拷贝构造，使用 new[]/std::copy_n 拷贝原对象的内存(本方案有一次冗余的默认构造，可优化)

• 参数为右值时，移动构造，把指向原对象内存的指针 data_、内存大小 size_ 复制到新对象，并把原对象这两个成员置 0

析构函数 vector::~vector() 检查 data_ 是否有效，决定是否需要释放资源。

除了能判断参数是否为左右值，成员函数还可以判断当前对象的左右值类型：给成员函数加上 引用限定符 (reference qualifier)，针对对象本身的左右值类型进行优化。

class Foo {

3.2 转移不可复制的资源

在之前写的 资源管理小记 提到：如果资源是不可复制的，那么装载资源的对象也应该是不可复制的。

如果资源对象不可复制，那么只能通过移动，创建新对象。例如，智能指针 std::unique_ptr 只允许移动构造，不允许拷贝构造。

template<

上述代码中，unique_ptr 的移动构造过程和 vector 类似：

• 把指向原对象内存的指针 data_ 复制到新对象

• 把原对象的指针 data_ 置为空

3.3 反例：不遵守移动语义

移动语义只是语言上的一个 概念，具体是否移动对象的资源、如何移动对象的资源，都需要通过编写代码 实现。而移动语义常常被 误认为，编译器 自动生成 移动对象本身的代码(§ 4 拷贝省略)。

为了证明这一点，我们可以实现不遵守移动语义的 bad_vec::bad_vec(bad_vec&& rhs)，执行拷贝语义：

new T[rhs.size_]) {

那么，一个 bad_vec 对象在被 move 移动后仍然可用：

int> v_old { 

虽然代码可以那么写，但是在语义上有问题：进行了拷贝操作，违背了移动语义的初衷。

4 拷贝省略

尽管 C++ 引入了移动语义，移动的过程 仍有优化的空间 —— 与其调用一次 没有意义的移动构造函数，不如让编译器 直接跳过这个过程 —— 于是就有了 拷贝省略 (copy elision)。

然而，很多人会把移动语义和拷贝省略 混淆：

• 移动语义是 语言标准 提出的概念，通过编写遵守移动语义的 移动构造函数、右值限定成员函数，逻辑上 优化 对象内资源 的转移流程

• 拷贝省略是(C++ 17 前)非标准的 编译器优化，跳过移动/拷贝构造函数，让编译器直接在 移动后的对象 内存上，构造 被移动的对象(例如 § 1.3 的代码，直接在 函数返回值对象 的内存上，构造 函数局部对象 ret —— 在 不同作用域 里，共享 同一块内存)

C++ 17 要求编译器对 纯右值 (prvalue, pure rvalue) 进行拷贝省略优化。(参考)

Data f() {

初始化 局部变量、函数参数时，传入的纯右值可以确保被优化 —— Return Value Optimization (RVO)；而返回的 将亡值 (xvalue, eXpiring value) 不保证被优化 —— Named Return Value Optimization (NRVO)。

5 通用引用和完美转发

揭示 std::move()/std::forward() 的原理，需要读者有一定的 模板编程基础。

5.1 为什么需要通用引用

C++ 11 引入了变长模板的概念，允许向模板参数里传入不同类型的不定长引用参数。由于每个类型可能是左值引用或右值引用，针对所有可能的左右值引用组合，特化所有模板 是 不现实的。

假设没有 通用引用的概念，模板 std::make_unique<> 至少需要两个重载：

templateunique_ptrmake_unique(const Args&... args) {

• 对于传入的左值引用 const Args&... args，只要展开 args... 就可以转发这一组左值引用

• 对于传入的右值引用 Args&&... args，需要通过 std::move() 转发出去，即 std::move(args)...(为什么要转发：参考 § 1.4)

上述代码的问题在于：如果传入的 args 既有 左值引用 又有 右值引用，那么这两个模板都 无法匹配。

5.2 通用引用

Item 24: Distinguish universal references from rvalue references. —— Meyer Scott, Effective Modern C++

Meyer Scott 指出：有时候符号 && 并不一定代表右值引用，它也可能是左值引用 —— 如果一个引用符号需要通过 左右值类型推导(模板参数类型 或 auto 推导)，那么这个符号可能是左值引用或右值引用 —— 这叫做 通用引用 (universal reference)。

// rvalue ref: no type deduction

上述代码中，前三个 && 符号不涉及引用符号的左右值类型推导，都是右值引用；而后两个 && 符号会 根据初始值推导左右值类型：

• 对于 var2

  • 因为 var1 是左值，所以 var2 也是左值引用

  • 推导不会参考 var1 的变量类型

• 对于 T&&

  • 如果 param 传入左值，T&& 是左值引用 std::remove_reference_t&

  • 如果 param 传入右值，T&& 是右值引用 std::remove_reference_t&&

基于通用引用，§ 5.1 的模板 std::make_unique<> 只需要一个重载：

templateunique_ptrmake_unique(Args&&... args) {

其中，std::forward() 实现了 针对不同左右值类型的转发 —— 完美转发。

5.3 完美转发

什么是 完美转发 (perfect forwarding)：

• 如果参数是 左值引用，直接以 左值引用 的形式，转发给下一个函数

• 如果参数是 右值引用，要先 “还原” 为 右值引用 的形式，再转发给下一个函数

因此，std::forward() 定义两个 不涉及 左右值类型 推导 的模板(不能使用 通用引用参数)：

template <

实参/返回值 类型	左值引用返回值	右值引用返回值
(重载 1)左值引用实参	完美转发	移动转发
(重载 2)右值引用实参	语义错误	完美转发

• 尽管初始化后的变量都是 左值(参考 § 1.4)，但原始的 变量类型 仍会保留

• 因此，可以根据 实参类型 选择重载，和 T 的类型无关

• 返回值 static_cast(val) 通过 § 2.3 引用折叠 实现 完美转发 或 移动转发，和实参类型无关

5.4 移动转发

类似的，std::move() 只转发为右值引用类型：

template <

实参/返回值 类型	右值引用返回值
左值引用实参	移动转发
右值引用实参	移动转发/完美转发

• 接受 通用引用参数 T&& val(无需两个模板，使用时无需指出 T 的类型)

• 返回值 static_cast<:remove_reference_t>&&>(val) 直接转为右值引用类型

• 所以 std::move() 等价于 std::forward<:remove_reference_t>&&>()

写在最后

虽然这些东西你不知道，也不会伤害你；但如果你知道了，就可以合理利用，从而提升开发效率，避免不必要的问题。

感谢 @flythief 的修改建议，感谢 @泛化之美 对 § 1.5 的补充~

如果有什么问题，欢迎交流。

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