C++ 11 中的右值引用

C++ 11 中的右值引用

右值引用的功能

首先，我并不介绍什么是右值引用，而是以一个例子里来介绍一下右值引用的功能：

#include <iostream>
    #include <vector>
    using namespace std;

    class obj
    {
    public :
        obj() { cout << ">> create obj " << endl; }
        obj(const obj& other) { cout << ">> copy create obj " << endl; }
    };

    vector<obj> foo()
    {
        vector<obj> c;
        c.push_back(obj());

        cout << "---- exit foo ----" << endl;
        return c;
    }

    int main()
    {
        vector<obj> k;
        k = foo();
    }

首先我们编译一下这个函数，运行结果如下：

tianfang > g++ main.cpp
    tianfang > a.out
    >> create obj 
    >> copy create obj 
    ---- exit foo ----
    >> copy create obj 
    tianfang >

可以看到，对obj对象执行了两次构造。vector是一个常用的容器了，我们可以很容易的分析这这两次拷贝构造的时机：

1. foo函数第二行，调用push_back的时候，会在vector里建立一个obj的副本
2. main函数第二行，执行复制函数的时候，会把foo()返回的对象全部复制过来，再次执行一次拷贝构造

由于对象的拷贝构造的开销是非常大的，因此我们想就可能避免他们。其中，第一次拷贝构造是vector的特性所决定的，不可避免。但第二次拷贝构造，在C++ 11中就是可以避免的了。

tianfang > g++ -std=c++11 main.cpp
    tianfang > a.out
    >> create obj 
    >> copy create obj 
    ---- exit foo ----
    tianfang >

可以看到，我们除了加上了一个-std=c++11选项外，什么都没干，但现在就把第二次的拷贝构造给去掉了。它是如何实现这一过程的呢？

在老版本中，当我们执行第二行的赋值操作的时候，执行过程如下：

1. foo()函数返回一个临时对象（这里用~tmp来标识它）
2. 执行vector的 '=' 函数，将对象k中的现有成员删除，将~tmp的成员复制到k中来
3. 删除临时对象~tmp

在C++11的版本中，执行过程如下：

1. foo()函数返回一个临时对象（这里用~tmp来标识它）
2. 执行vector的 '=' 函数，将对象k中的成员~tmp的成员互换，此时k中的成员就被替换成了~tmp中的成员。
3. 删除临时对象~tmp（此时就删除了以前的k中的成员）

关键的过程就是第2步，它不是复制而是交换，从而避免的成员的拷贝，但效果却是一样的。不用修改代码，性能却得到了提升，对于程序员来说就是一份免费的午餐。

但是，这份免费的午餐也不是无条件就可以获取的，带上-std=c++11编译时，如果使用STL代码可以享用这份午餐，但如果使用我们以前的老代码发现还是和以前的功能是一样的，那么，如何让我们以前的代码也能得到这个效率的提升呢？

通过交换减少数据的拷贝

为了演示如何在我们的代码中也获取这个性能提升，首先我先写了一个山寨的vector：

#include <iostream>
    #include <vector>
    using namespace std;

    class obj
    {
    public :
        obj() { cout << ">> create obj " << endl; }
        obj(const obj& other) { cout << ">> copy create obj " << endl; }
    };

    template <class T>
    class container
    {
    public:
        T* value;

    public:
        container() : value(NULL) {};
        ~container() { delete value; } 

        container(const container& other)
        {
            value = new T(*other.value);
        }

        const container& operator = (const container& other)
        {
            delete value;
            value = new T(*other.value);
            return *this;
        }

        void push_back(const T& item)
        {
            delete value;
            value = new T(item);
        }
    };

    container<obj> foo()
    {
        container<obj> c;
        c.push_back(obj());

        cout << "---- exit foo ----" << endl;
        return c;
    }

    int main()
    {
        container<obj> k ;
        k = foo();    
    }

这个vector只能容纳一个元素，但并不妨碍我们的演示，其功能和前面的例子是一样的，运行这段代码，结果如下：

tianfang > make
    g++ -std=c++11 main.cpp
    tianfang > a.out
    >> create obj 
    >> copy create obj 
    ---- exit foo ----
    >> copy create obj 
    tianfang >

如前所述，仍然有两次拷贝构造。其实前面已经说过交换实现减少拷贝构造的原理，那么，我们可以通过修改 '=' 函数来手动实现这一过程。

const container& operator = (container& other)
    {
        T* tmp = value;
        value = other.value;
        other.value = tmp;
        return *this;
    }

在VC中运行这段代码，发现运行结果和预期一致，

>> create obj 
    >> copy create obj 
    ---- exit foo ----

但是，gcc中却无法通过编译，原因很简单：gcc期望的赋值函数的参数是const型的，而这里为了交换成员，而不能使用const型。

那么，虽然gcc中不能生效，是否可以说在vc中就可以以这种形式获取性能提升呢？答案是否定的。虽然在这段代码中这么写没有问题，但赋值函数本身是期望复制功能的，而不是交换。例如，修改后下面的运行结果就不对了。

int main()
    {
        container<obj> k, k2;
        k = foo();    

        //预期结果是复制，但执行了交换
        k2 = k;
    }

gcc的告警是有道理的：如果 '=' 函数实现的是复制功能，虽然效率低点，但保证了功能正确，但如果实现的是交换的功能，则不能保证功能一定正确。只有当 '=' 函数右边的对象为一个临时变量的时候，由于临时变量会马上被删除掉，此时的交换和复制的效果是一样的。其实VC也应该把这个告警加上才合适。

PS：对临时变量定义和来源不清楚的朋友可以参考一下这篇文章。

现在的问题是：我们无法在赋值函数里区分传入的是一个临时对象还是非临时对象，因此只能执行复制操作。为了解决这一问题，c++中引入了一个新的赋值函数的重载形式：

container& operator = (container&& other)

这个赋值函数通常称为移动赋值函数，和老版本的相比，它有两点区别：

1. 入参不是const型，因此它是可以更改入参的值的，从而实现交换操作
2. 入参前面有两个&号，这个是C++11引入的新语法，称为右值引用，它的使用方式和普通引用是一样的，唯一的区别是可以指向临时变量。

现在，我们就有两个版本的赋值函数了，C++11在语法级别也做了适应：

• 如果入参是临时变量，则执行移动赋值函数，如果没有定义移动赋值函数，则执行复制赋值函数（以保证老版本代码能编译通过）
• 如果入参不是临时变量，则执行普通的复制赋值函数

现在，我们实现一下山寨版的移动赋值函数：

container& operator = (container&& other)
    {
        delete value;
        value = other.value;
        other.value = NULL;
        return *this;

}

运行后结果就和我们期望的那样，避免了成员的第二次的拷贝构造。

和移动赋值函数相应的，也有一个一个移动构造函数，也最好实现以下：

container (container&& other)
    {
        value = other.value;
        other.value = NULL;
    }

我们也可以实现自己的右值引用版的重载函数，这里就不多介绍了。

注意：本文所示的代码只是为了演示和实现右值引用，力求简洁，并没有写得很完善（一个典型的缺失就是在赋值函数中没有判断入参是否是本身），请不要将其应用于项目中。

完善的版本请看MSDN文章：如何编写一个移动构造函数，其相应的对右值引用的介绍文章Rvalue引用声明:&&也非常值得一读。

通过std::move函数显式使用交换

首先看一下这段代码：

class bigobj
    {
    public :
        bigobj() { cout << ">> create obj " << endl; }
        bigobj(const bigobj& other) { cout << ">> copy create obj " << endl; }
        bigobj(bigobj&& other) { cout << ">> move create obj " << endl; }
    };

    int main()
    {
        list<bigobj> list;
        for(int i = 0; i < 3; i++)
        {
            bigobj obj;
            list.push_back(obj);
        }
    }

运行的时候就会发现：虽然我们定义了移动构造函数，但是它仍然会执行拷贝构造函数。这是因为编译器并不认为obj是临时变量。关于什么变量才是临时变量，前文已经给了个链接来说明它，简单的说，我们能够看到的命名变量都不是临时变量。

虽然obj对象不是语言级别的临时变量，但是从功能上来看，它就是一个临时变量，是可以使用移动构造函数来消除拷贝带来的性能损失的。为了解决这一问题，C++提供了一个move函数来把obj变量强制转换为右值引用，这样就可以使用移动构造函数了。

for(int i = 0; i < 3; i++)
    {
        bigobj obj;
        list.push_back(std::move(obj));
    }

不过，需要注意的是，和系统识别的临时变量而自动使用右值引用不同，这种强制转换是有一定的风险的，由于在push_back后执行了交换操作，如果再次使用它会出现非预期的结果，只有能确定该变量不会再次被使用才能执行这种转换。