C++11之右值引用（二）：右值引用与移动语义

上节我们提出了右值引用，可以用来区分右值，那么这有什么用处？

 

问题来源

 

我们先看一个C++中被人诟病已久的问题：

我把某文件的内容读取到vector中，用函数如何封装？

大部分人的做法是：

void readFile(const string &filename, vector<string> &words)
{
    words.clear();
    //read XXXXX
}

这种做法完全可行，但是代码风格谈不上美观，我们尝试着这样编写：

vector<string> readFile(const string &filename)
{
    vector<string> ret;
    ret.push("cesfwfgw");

    //....
    //

    return ret;
}

这样我们就可以在main中这样调用：

vector<string> coll = readFile("fef.text");

但是，稍微熟悉C++的都知道，这样在语法上会造成大量的开销：

ret复制给临时变量，该临时变量开辟在heap上

临时变量复制给coll

这中间产生两次复制和销毁的开销。

如果说这个例子，可以采用开头的代码解决开销，那么如果是一个查询返回结果的函数，那么我们必须这样写：

vector<string> queryWord(const string &word)
{
    vector<string> result;
    //XXXXX

    return result;
}

这里的开销就无法避免了。

 

移动语义的引入

 

我们考虑一个生活中常见的问题（这里参考了如何评价 C++11 的右值引用（Rvalue reference）特性？），如果把一个很重的货物从箱子A移动到箱子B，那么

正常的做法是：打开箱子A，把物品搬出来，移动到B，然后关上A。

另一种比较奇葩的做法是：在B中复制一个物品A，然后将A中的销毁。

更奇葩的做法是：由于复制工具的局限性，我们无法直接在B中复制，所以我们只好先在地上复制一个物品temp，销毁A中的物品，然后根据temp在B中再复制一份，再销毁地上的temp。

事实上，C++98采用的就是最后一种效率极其低下的做法，这里的关键在于，C++98没有很好的区分“copy”和“move”语义。

上述问题中，我们明确提出移动A到B中，但是C++98由于移动语义的缺失，只好采用copy的方式完成。

 

我们再回到开头的问题中：

vector<string> readFile(const string &filename)
{
    vector<string> ret;
    ret.push("cesfwfgw");

    //....
    //

    return ret;
}

这里我们必须看到一点，在完成函数调用后，ret就要被销毁，所以我们想到一个主意，不是把ret中的内容复制给main中的coll，而是将ret中的内容偷到coll中，然后将ret悄悄的销毁。

这样是可行的，因为ret的生命周期很短。

 

哪些可以偷？

 

现在问题来了，C++中哪些可以偷，哪些不能？

我们回顾上一节提到的四个表达式：

string one("one");
const string two("two");
string three() { return "three"; }
const string four() { return "four"; }

显然，one和two生命周期较长，不能偷。four具有const属性，拒绝被偷。

那么three是可以被偷取的，因为它是临时变量，又没有const属性。

所以，C++中的非const右值，和移动语义完全匹配。

上节我们提出用右值引用区分右值，正是为了解决哪些可以偷的问题！

 

OK，我们的思路已经很清晰了：

1.为了解决返回对象开销问题，我们提出“偷取”，而不是复制对象

2.我们面临哪些能偷，哪些不能偷的问题。

3.右值可以偷取，所以我们如何区分右值？

4.我们引入右值引用X &&来区分右值。

这就是右值引用的来源。

 

如果一个变量不是右值，但是我们又需要偷取，那么我们可以采用std::move函数，将其强制转化为右值引用。

例如：

void test(string name)
{
    string temp(std::move(name));
    // XXXXXX
}

注意，被偷取之后的name无法继续使用，所以move函数不可以随意使用。

 

带来的影响

 

那么，右值引用带来哪些该变呢？

首先是类的成员函数赋值，看下面代码：

class People
{
public:
    People()
    {
        cout << "People()" << endl;
    }
    People(const string &name)
    : name_(name)
    {
        cout << "People(const string &name)" << endl;
    }
    People(string &&name)
    : name_(name)
    {
        cout << "People(string &&name)" << endl;
    }

private:
    string name_;
};

这里name赋值，我们相对于C++98，提供了一个右值函数，将name的值移动给name_。

事实上，上面的两个函数可以合成一个：

class People
{
public:
    People()
    {
        cout << "People()" << endl;
    }

    People(string name)
    : name_(std::move(name))
    {
        cout << "People(string name)" << endl;
    }

private:
    string name_;
};

这里注意，上面的name采用传值，并没有带来开销，因为：

如果name传入的是一个右值，那么name本身采用移动构造，开销比复制小很多，相当于People(string &&name)

如果name传入的其他值，那么name是复制构造，然后移动给name_，也没有增加额外的开销。

对于构造函数，除了提供复制构造函数，还需要移动构造函数。如下：

class People
{
public:
    People()
    {
        cout << "People()" << endl;
    }

    People(string name)
    : name_(std::move(name))
    {
        cout << "People(string name)" << endl;
    }

    People(const People &p)
    : name_(p.name_)
    {
        cout << "People(const People &p)" << endl;
    }
    People(People &&p)
    : name_(std::move(p.name_))
    {
        cout << "People(People &&p)" << endl;
    }

private:
    string name_;
};

注意在最后一个People(People &&p)中，移动p内的name时，必须显式使用move，来强制移动name成员。

同样，还有移动赋值运算符。

另外，在C++98中，容器内的元素必须具备值语义，现在则不同，元素具备移动能力即可，后文我们在智能指针系列会提到unique_ptr，它可以放入vector中，但是不具有复制和赋值能力。

其他的影响请参考：如何评价 C++11 的右值引用（Rvalue reference）特性？

下文通过一个string的模拟实现，演示右值引用的使用。