C++11新特性：右值引用和转移构造函数

问题背景

1. #include <iostream>
2. using namespace std;
3. vector<int> doubleValues (const vector<int>& v)
4. {
5. vector<int> new_values( v.size() );
6. for (auto itr = new_values.begin(), end_itr = new_values.end(); itr != end_itr; ++itr )
7. {
8. new_values.push_back( 2 * *itr );
9. }
10. return new_values;
11. }
12. int main()
13. {
14. vector<int> v;
15. for ( int i = 0; i < 100; i++ )
16. {
17. v.push_back( i );
18. }
19. v = doubleValues( v );
20. }

先来分析一下上述代码的运行过程。

1. vector<int> v;
2. for ( int i = 0; i < 100; i++ )
3. {
4. v.push_back( i );
5. }

以上5行语句在栈上新建了一个vector的实例，并在里面放了100个数。

1. v = doubleValues( v )

这条语句调用函数doubleValues,函数的参数类型的const reference，常量引用，那么在实参形参结合的时候并不会将v复制一份，而是直接传递引用。所以在函数体内部使用的v就是刚才创建的那个vector的实例。

但是

1. vector<int> new_values( v.size() );

这条语句新建了一个vector的实例new_values，并且复制了v的所有内容。但这是合理的，因为我们这是要将一个vector中所有的值翻倍，所以我们不应该改变原有的vector的内容。

1. v = doubleValues( v );

函数执行完之后，new_values中放了翻倍之后的数值，作为函数的返回值返回。但是注意，这个时候doubleValue(v)的调用已经结束。开始执行 = 的语义。

赋值的过程实际上是将返回的vector<int>复制一份放入新的内存空间，然后改变v的地址，让v指向这篇内存空间。总的来说，我们刚才新建的那个vector又被复制了一遍。

但我们其实希望v能直接得到函数中复制好的那个vector。在C++11之前，我们只能通过传递指针来实现这个目的。但是指针用多了非常不爽。我们希望有更简单的方法。这就是我们为什么要引入右值引用和转移构造函数的原因。

左值和右值

在说明左值的定义之前，我们可以先看几个左值的例子。

1. int a;
2. a = 1; // here, a is an lvalue

上述的a就是一个左值。

临时变量可以做左值。同样函数的返回值也可以做左值。

1. int x;
2. int& getRef ()
3. {
4. return x;
5. }
6. getRef() = 4;

以上就是函数返回值做左值的例子。

 

其实左值就是指一个拥有地址的表达式。换句话说，左值指向的是一个稳定的内存空间（即可以是在堆上由用户管理的内存空间，也可以是在栈上，离开了一个block就被销毁的内存空间）。上面第二个例子，getRef返回的就是一个全局变量（建立在堆上），所以可以当做左值使用。

 

与此相反，右值指向的不是一个稳定的内存空间，而是一个临时的空间。比如说下面的例子：

1. int x;
2. int getVal ()
3. {
4. return x;
5. }
6. getVal();

这里getVal()得到的就是临时的一个值，没法对它进行赋值。
下面的语句就是错的。

1. getVal() = 1;//compilation error

所以右值只能够用来给其他的左值赋值。

 

右值引用

在C++11中，你可以使用const的左值引用来绑定一个右值，比如说：

1. const int& val = getVal();//right
2. int& val = getVal();//error

因为左值引用并不是左值，并没有建立一片稳定的内存空间，所以如果不是const的话你就可以对它的内容进行修改，而右值又不能进行赋值，所以就会出错。因此只能用const的左值引用来绑定一个右值。

 

在C++11中，我们可以显示地使用“右值引用”来绑定一个右值,语法是"&&"。因为指定了是右值引用，所以无论是否const都是正确的。

1. const string&& name = getName(); // ok
2. string&& name = getName(); // also ok

有了这个功能，我们就可以对原来的左值引用的函数进行重载，重载的函数参数使用右值引用。比如下面这个例子：

1. printReference (const String& str)
2. {
3. cout << str;
4. }
5. printReference (String&& str)
6. {
7. cout << str;
8. }

可以这么调用它。

1. string me( "alex" );
2. printReference(  me ); // 调用第一函数，参数为左值常量引用
3. printReference( getName() ); 调用第二个函数，参数为右值引用。

好了，现在我们知道C++11可以进行显示的右值引用了。但是我们如果用它来解决一开始那个复制的问题呢？

这就要引入与此相关的另一个新特性，转移构造函数和转移赋值运算符

 

转移构造函数和转移赋值运算符

假设我们定义了一个ArrayWrapper的类，这个类对数组进行了封装。

1. class ArrayWrapper
2. {
3. public:
4. ArrayWrapper (int n)
5. : _p_vals( new int[ n ] )
6. , _size( n )
7. {}
8. // copy constructor
9. ArrayWrapper (const ArrayWrapper& other)
10. : _p_vals( new int[ other._size  ] )
11. , _size( other._size )
12. {
13. for ( int i = 0; i < _size; ++i )
14. {
15. _p_vals[ i ] = other._p_vals[ i ];
16. }
17. }
18. ~ArrayWrapper ()
19. {
20. delete [] _p_vals;
21. }
22. private:
23. int *_p_vals;
24. int _size;
25. };

我们可以看到，这个类的拷贝构造函数显示新建了一片内存空间，然后又对传进来的左值引用进行了复制。

如果传进来的实际参数是一个右值（马上就销毁），我们自然希望能够继续使用这个右值的空间，这样可以节省申请空间和复制的时间。

我们可以使用转移构造函数实现这个功能：

1. class ArrayWrapper
2. {
3. public:
4. // default constructor produces a moderately sized array
5. ArrayWrapper ()
6. : _p_vals( new int[ 64 ] )
7. , _size( 64 )
8. {}
9. ArrayWrapper (int n)
10. : _p_vals( new int[ n ] )
11. , _size( n )
12. {}
13. // move constructor
14. ArrayWrapper (ArrayWrapper&& other)
15. : _p_vals( other._p_vals  )
16. , _size( other._size )
17. {
18. other._p_vals = NULL;
19. }
20. // copy constructor
21. ArrayWrapper (const ArrayWrapper& other)
22. : _p_vals( new int[ other._size  ] )
23. , _size( other._size )
24. {
25. for ( int i = 0; i < _size; ++i )
26. {
27. _p_vals[ i ] = other._p_vals[ i ];
28. }
29. }
30. ~ArrayWrapper ()
31. {
32. delete [] _p_vals;
33. }
34. private:
35. int *_p_vals;
36. int _size;
37. };

第一个构造函数就是转移构造函数。它先将other的域复制给自己。尤其是将_p_vals的指针赋值给自己的指针，这个过程相当于int的复制，所以非常快。然后将other里面_p_vals指针置成NULL。这样做有什么用呢？

我们看到，这个类的析构函数是这样的：

1. ~ArrayWrapper ()
2. {
3. delete [] _p_vals;
4. }

它会delete掉_p_vals的内存空间。但是如果调用析构函数的时候_p_vals指向的是NULL，那么就不会delte任何内存空间。

所以假设我们这样使用ArrayWrapper的转移构造函数：

1. ArrayWrapper *aw = new ArrayWrapper((new ArrayWrapper(5)));

其中

1. (new ArrayWrapper(5)

获得的实例就是一个右值，我们不妨称为r，当整条语句执行结束的时候就会被销毁，执行析构函数。

所以如果转移构造函数中没有

1. other._p_vals = NULL;

的话，虽然aw已经获得了r的_p_vals的内存空间，但是之后r就被销毁了，那么r._p_vals的那片内存也被释放了，aw中的_p_vals指向的就是一个不合法的内存空间。所以我们就要防止这片空间被销毁。

 

右值引用也是左值

这种说法可能有点绕，来看一个例子：

 

我们可以定义MetaData类来抽象ArrayWrapper中的数据：

1. class MetaData
2. {
3. public:
4. MetaData (int size, const std::string& name)
5. : _name( name )
6. , _size( size )
7. {}
8. // copy constructor
9. MetaData (const MetaData& other)
10. : _name( other._name )
11. , _size( other._size )
12. {}
13. // move constructor
14. MetaData (MetaData&& other)
15. : _name( other._name )
16. , _size( other._size )
17. {}
18. std::string getName () const { return _name; }
19. int getSize () const { return _size; }
20. private:
21. std::string _name;
22. int _size;
23. };

那么ArrayWrapper类现在就变成这个样子

1. class ArrayWrapper
2. {
3. public:
4. // default constructor produces a moderately sized array
5. ArrayWrapper ()
6. : _p_vals( new int[ 64 ] )
7. , _metadata( 64, "ArrayWrapper" )
8. {}
9. ArrayWrapper (int n)
10. : _p_vals( new int[ n ] )
11. , _metadata( n, "ArrayWrapper" )
12. {}
13. // move constructor
14. ArrayWrapper (ArrayWrapper&& other)
15. : _p_vals( other._p_vals  )
16. , _metadata( other._metadata )
17. {
18. other._p_vals = NULL;
19. }
20. // copy constructor
21. ArrayWrapper (const ArrayWrapper& other)
22. : _p_vals( new int[ other._metadata.getSize() ] )
23. , _metadata( other._metadata )
24. {
25. for ( int i = 0; i < _metadata.getSize(); ++i )
26. {
27. _p_vals[ i ] = other._p_vals[ i ];
28. }
29. }
30. ~ArrayWrapper ()
31. {
32. delete [] _p_vals;
33. }
34. private:
35. int *_p_vals;
36. MetaData _metadata;
37. };

同样，我们使用了转移构造函数来避免代码的复制。但是这里的转移构造函数对吗？

问题出在下面这条语句

1. _metadata( other._metadata )

我们希望的是other._metadata是一个右值，然后就会调用MetaData类的转移构造函数来避免数据的复制。但是很可惜，右值引用是左值。

在前面已经说过，左值占用了内存上一片稳定的空间。而右值是一个临时的数据，离开了某条语句就会被销毁。other是一个右值引用，在ArrayWrapper类的转移构造函数的整个作用域中都可以稳定地存在，所以确实占用了内存上的稳定空间，所以是一个左值，因为上述语句调用的并非转移构造函数。所以C++标准库提供了如下函数来解决这个问题：

1. std::move

这条语句可以将左值转换为右值

 

1. // 转移构造函数
2. ArrayWrapper (ArrayWrapper&& other)
3. : _p_vals( other._p_vals  )
4. , _metadata( std::move( other._metadata ) )
5. {
6. other._p_vals = NULL;
7. }

这样就可以避免_metadata域的复制了。

 

函数返回右值引用

 

我们可以在函数中显示地返回一个右值引用

 

1. int x;
2. int getInt ()
3. {
4. return x;
5. }
6. int && getRvalueInt ()
7. {
8. // notice that it's fine to move a primitive type--remember, std::move is just a cast
9. return std::move( x );
10. }

感谢Alex Allain提供的部分代码例子。http://www.cprogramming.com/c++11/rvalue-references-and-move-semantics-in-c++11.html

本文是在他的文章的基础之上写出来的。