更多精彩内容，请关注微信公众号：后端技术小屋
现代C++之右值语义
在现代C++的众多特性中，右值语义(std::move和std::forward)大概是最神奇也最难懂的特性之一了。本文简要介绍了现代C++中右值语义特性的原理和使用。
1 什么是左值，什么是右值?
int a = 0; // a是左值，0是右值
int b = rand(); // b是左值，rand()是右值
直观理解：左值在等号左边，右值在等号右边
深入理解：左值有名称，可根据左值获取其内存地址，而右值没有名称，不能根据右值获取地址。
2 引用叠加规则
左值引用A&和右值引用A&&可相互叠加, 叠加规则如下：
A& + A& = A&
A& + A&& = A&
A&& + A& = A&
A&& + A&& = A&&
举例说明，在模板函数void foo(T&& x)中：
- 如果
T是int&类型,T&&为int&，x为左值语义 - 如果
T是int&&类型,T&&为int&&,x为右值语义
也就是说，不管输入参数x为左值还是右值，都能传入函数foo。区别在于两种情况下，编译器推导出模板参数T的类型不一样。
3 std::move
3.1 What?
在C++11中引入了std::move函数，用于实现移动语义。它用于将临时变量(也有可能是左值)的内容直接移动给被赋值的左值对象。
3.2 Why?
知道了std::move是干什么的，他能给我们的搬砖工作带来哪些好处呢？ 举例说明：
如果类X包含一个指向某资源的指针，在左值语义下，类X的复制构造函数定义如下：
X::X()
{
// 申请资源(指针表示)
}
X::X(const X& other)
{
// ...
// 销毁资源
// 克隆other中的资源
// ...
}
X::~X()
{
// 销毁资源
}
假设应用代码如下。其中，对象tmp被赋给a之后，便不再使用。
X tmp;
// ...经过一系列初始化...
X a = tmp;
在上面的代码中，执行步骤:
- 先执行一次默认构造函数(默认构造tmp对象)
- 再执行一次复制构造函数(复制构造a对象)
- 退出作用域时执行析构函数(析构tmp和a对象)
从资源的视角来看，上述代码中共执行了2次资源申请和3次资源释放。
那么问题来了，既然对象tmp只是一个临时对象，在执行X a = tmp;时，对象a能否将tmp的资源'偷'过来，直接为我所用，而不影响原来的功能？ 答案是可以。
X::X(const X& other)
{
// 使用std::swap交换this和other的资源
}
通过'偷'对象tmp的资源，减少了资源申请和释放的开销。而std::swap交换指针代价极小，可忽略不计。
3.3 How?
到现在为止，我们明白了std::move将要达到的效果，那么它究竟是怎么实现的呢？
template
typename remove_reference::type&&
std::move(T&& a) noexcept
{
typedef typename remove_reference::type&& RvalRef;
return static_cast(a);
}
不管输入参数为左值还是右值，都被remove_reference去掉其引用属性，RvalRef为右值类型，最终返回类型为右值引用。
3.4 Example
在实际使用中，一般将临时变量作为std::move的输入参数，并将返回值传入接受右值类型的函数中，方便其'偷取'临时变量中的资源。需要注意的是，临时变量被'偷'了之后，便不能对其进行读写，否则会产生未定义行为。
#include
#include
#include
#include
void foo(const std::string& n)
{
std::cout << "lvalue" << std::endl;
}
void foo(std::string&& n)
{
std::cout << "rvalue" << std::endl;
}
void bar()
{
foo("hello"); // rvalue
std::string a = "world";
foo(a); // lvalue
foo(std::move(a)); // rvalue
}
int main()
{
std::vector a = {"hello", "world"};
std::vector b;
b.push_back("hello"); // 开销：string复制构造
b.push_back(std::move(a[1])); // 开销：string移动构造(将临时变量a[1]中的指针偷过来)
std::cout << "bsize: " << b.size() << std::endl;
for (std::string& x: b)
std::cout << x << std::endl;
bar();
return 0;
}
4 std::forward
4.1 What?
std::forward用于实现完美转发。那么什么是完美转发呢？完美转发实现了参数在传递过程中保持其值属性的功能，即若是左值，则传递之后仍然是左值，若是右值，则传递之后仍然是右值。
简单来说，std::move用于将左值或右值对象强转成右值语义，而std::forward用于保持左值对象的左值语义和右值对象的右值语义。
4.2 Why?
#include
#include
void bar(const int& x)
{
std::cout << "lvalue" << std::endl;
}
void bar(int&& x)
{
std::cout << "rvalue" << std::endl;
}
template
void foo(T&& x)
{
bar(x);
}
int main()
{
int x = 10;
foo(x); // 输出：lvalue
foo(10); // 输出：lvalue
return 0;
}
执行以上代码会发现，foo(x)和foo(10)都会输出lvalue。foo(x)输出lvalue可以理解，因为x是左值嘛，但是10是右值，为啥foo(10)也输出lvalue呢？
这是因为10只是作为函数foo的右值参数，但是在foo内部，10被带入了形参x，而x是一个有名字的变量，即右值，因此foo中bar(x)还是输出lvalue。
那么问题来了，如果我们想在foo函数内部保持x的右值语义，该怎么做呢？std::forward便派上了用场。
只需改写foo函数：
template
void foo(T&& x)
{
bar(std::forward(x));
}
4.3 How?
std::forward听起来有点神奇，那么它到底是如何实现的呢？
template
shared_ptr factory(Arg&& arg)
{
return shared_ptr(new T(std::forward(arg)));
}
template
S&& forward(typename remove_reference::type& a) noexcept
{
return static_cast(a);
}
X x;
factory(x);
如果factory的输入参数是一个左值，那么Arg = X&，根据叠加规则，std::forward。因此，在这种情况下，std::forward仍然是左值。
相反，如果factory输入参数是一个右值，那么Arg = X，std::forward。这种情况下，std::forward是一个右值。
恰好达到了保留左值or右值语义的效果！
4.4 Example
直接上代码。如果前面都懂了，相信这段代码的输出结果也能猜个八九不离十了。
#include
#include
void overloaded(const int& x)
{
std::cout << "[lvalue]" << std::endl;
}
void overloaded(int&& x)
{
std::cout << "[rvalue]" << std::endl;
}
template void fn(T&& x)
{
overloaded(x);
overloaded(std::forward(x));
}
int main()
{
int i = 10;
overloaded(std::forward(i));
overloaded(std::forward(i));
overloaded(std::forward(i));
fn(i);
fn(std::move(i));
return 0;
}
推荐阅读
- STL源码分析--vector
- STL源码分析--hashtable
- STL源码分析--algorithm
- zookeeper client原理总结
- redis实现分布式锁
- 推荐几个好用的效率神器
- C/C++关键字之restrict
更多精彩内容，请扫码关注微信公众号：后端技术小屋。如果觉得文章对你有帮助的话，请多多分享、转发、在看。