03|右值和移动究竟解决了什么问题？-

时间：2022-05-19 作者：mmxingye

移动语义是 C++11 里引入的一个重要概念；理解这个概念，是理解很多现代 C++ 里的优化的基础。

值分左右

我们常常会说，C++ 里有左值和右值。这话不完全对。标准里的定义实际更复杂，规定了下面这些值类别（value categories）：

我们先理解一下这些名词的字面含义：

一个 lvalue 是通常可以放在等号左边的表达式，左值
一个 rvalue 是通常只能放在等号右边的表达式，右值
一个 glvalue 是 generalized lvalue，广义左值
一个 xvalue 是 expiring lvalue，将亡值
一个 prvalue 是 pure rvalue，纯右值

还是有点晕，是吧？我们暂且抛开这些概念，只看其中两个：lvalue 和 prvalue

左值 lvalue 是有标识符、可以取地址的表达式，最常见的情况有：

变量、函数或数据成员的名字
返回左值引用的表达式，如 ++x、x = 1、cout << \' \'
字符串字面量如 "hello world"

在函数调用时，左值可以绑定到左值引用的参数，如 T&。一个常量只能绑定到常左值引用，如 const T&。

反之，纯右值 prvalue 是没有标识符、不可以取地址的表达式，一般也称之为“临时对象”。最常见的情况有：

返回非引用类型的表达式，如 x++、x + 1、make_shared(42)
除字符串字面量之外的字面量，如 42、true

在 C++11 之前，右值可以绑定到常左值引用（const lvalue reference）的参数，如 const T&，但不可以绑定到非常左值引用（non-const lvalue reference），如 T&。从 C++11 开始，C++ 语言里多了一种引用类型——右值引用。右值引用的形式是 T&&，比左值引用多一个 & 符号。跟左值引用一样，我们可以使用 const 和 volatile 来进行修饰，但最常见的情况是，我们不会用 const 和 volatile 来修饰右值。本专栏就属于这种情况。

引入一种额外的引用类型当然增加了语言的复杂性，但也带来了很多优化的可能性。由于 C++ 有重载，我们就可以根据不同的引用类型，来选择不同的重载函数，来完成不同的行为。回想一下，在上一讲中，我们就利用了重载，让 smart_ptr 的构造函数可以有不同的行为：

template <typename U>
smart_ptr(const smart_ptr<U>& other) noexcept
{
  ptr_ = 域名;
  if (ptr_) {
    域名ed_count_->add_count();
    shared_count_ =
      域名ed_count_;
  }
}
template <typename U>
smart_ptr(smart_ptr<U>&& other) noexcept
{
  ptr_ = 域名;
  if (ptr_) {
    shared_count_ =
      域名ed_count_;
    域名 = nullptr;
  }
}

你可能会好奇，使用右值引用的第二个重载函数中的变量 other 算是左值还是右值呢？根据定义，other 是个变量的名字，变量有标识符、有地址，
所以它还是一个左值——虽然它的类型是右值引用。
尤其重要的是，拿这个 other 去调用函数时，它匹配的也会是左值引用。也就是说，类型是右值引用的变量是一个左值！这点可能有点反直觉，但跟 C++ 的其他方面是一致的。毕竟对于一个右值引用的变量，你是可以取地址的，这点上它和左值完全一致。稍后我们再回到这个话题上来。

再看一下下面的代码：


smart_ptr<shape> ptr1{new circle()};
smart_ptr<shape> ptr2 = std::move(ptr1);

第一个表达式里的 new circle() 就是一个纯右值；但对于指针，我们通常使用值传递，并不关心它是左值还是右值
第二个表达式里的 std::move(ptr) 就有趣点了。它的作用是把一个左值引用强制转换成一个右值引用，而并不改变其内容。从实用的角度，在我们这儿 std::move(ptr1) 等价于 static_cast<smart_ptr&&>(ptr1)。因此，std::move(ptr1) 的结果是指向 ptr1 的一个右值引用，这样构造 ptr2 时就会选择上面第二个重载。
我们可以把 std::move(ptr1) 看作是一个有名字的右值。为了跟无名的纯右值 prvalue 相区别，C++ 里目前就把这种表达式叫做 xvalue。跟左值 lvalue 不同，xvalue 仍然是不能取地址的——这点上，xvalue 和 prvalue 相同。所以，xvalue 和 prvalue 都被归为右值 rvalue。我们用下面的图来表示会更清楚一点：

另外请注意，“值类别”（value category）和“值类型”（value type）是两个看似相似、却毫不相干的术语。
前者指的是上面这些左值、右值相关的概念。
后者则是与引用类型（reference type）相对而言，表明一个变量是代表实际数值，还是引用另外一个数值。

在 C++ 里，所有的原生类型、枚举、结构、联合、类都代表值类型，只有引用（&）和指针（*）才是引用类型。在 Java 里，数字等原生类型是值类型，类则属于引用类型。在 Python 里，一切类型都是引用类型。

生命周期和表达式类型

一个变量的生命周期在超出作用域时结束。如果一个变量代表一个对象，当然这个对象的生命周期也在那时结束。那临时对象（prvalue）呢？在这儿，C++ 的规则是：一个临时对象会在包含这个临时对象的完整表达式估值完成后、按生成顺序的逆序被销毁，除非有生命周期延长发生。我们先看一个没有生命周期延长的基本情况：

process_shape(circle(), triangle());

为了方便对临时对象的使用，C++ 对临时对象有特殊的生命周期延长规则。这条规则是：
如果一个 prvalue 被绑定到一个引用上，它的生命周期则会延长到跟这个引用变量一样长。

需要万分注意的是，这条生命期延长规则只对 prvalue 有效，而对 xvalue 无效。如果由于某种原因，prvalue 在绑定到引用以前已经变成了 xvalue，那生命期就不会延长。不注意这点的话，代码就可能会产生隐秘的 bug。


#include <utility>  // std::move  下面这样写就是不对的
…
result&& r = std::move(process_shape(
  circle(), triangle()));

移动的意义

上面我们谈了一些语法知识。就跟学外语的语法一样，这些内容是比较枯燥的。虽然这些知识有时有用，但往往要回过头来看的时候才觉得。初学之时，更重要的是理解为什么，和熟练掌握基本的用法。

对于 smart_ptr，我们使用右值引用的目的是实现移动，而实现移动的意义是减少运行的开销——在引用计数指针的场景下，这个开销并不大。移动构造和拷贝构造的差异仅在于：

少了一次域名ed_count_->add_count() 的调用
被移动的指针被清空，因而析构时也少了一次 shared_count_->reduce_count() 的调用
在使用容器类的情况下，移动更有意义。

此外很关键的一点是，C++ 里的对象缺省都是值语义。在下面这样的代码里：


class A {
  B b_;
  C c_;
};

从实际内存布局的角度，很多语言——如 Java 和 Python——会在 A 对象里放 B 和 C 的指针（虽然这些语言里本身没有指针的概念）。而 C++ 则会直接把 B 和 C 对象放在 A 的内存空间里。这种行为既是优点也是缺点。说它是优点，是因为它保证了内存访问的局域性，而局域性在现代处理器架构上是绝对具有性能优势的。说它是缺点，是因为复制对象的开销大大增加：在 Java 类语言里复制的是指针，在 C++ 里是完整的对象。这就是为什么 C++ 需要移动语义这一优化，而 Java 类语言里则根本不需要这个概念。

如何实现移动？

要让你设计的对象支持移动的话，通常需要下面几步：

你的对象应该有分开的拷贝构造和移动构造函数（除非你只打算支持移动，不支持拷贝——如 unique_ptr）。
你的对象应该有 swap 成员函数，支持和另外一个对象快速交换成员。
在你的对象的名空间下，应当有一个全局的 swap 函数，调用成员函数 swap 来实现交换。支持这种用法会方便别人（包括你自己在将来）在其他对象里包含你的对象，并快速实现它们的 swap 函数。
实现通用的 operator=。
上面各个函数如果不抛异常的话，应当标为 noexcept。这对移动构造函数尤为重要。

不要返回本地变量的引用

有一种常见的 C++ 编程错误，是在函数里返回一个本地对象的引用。由于在函数结束时本地对象即被销毁，返回一个指向本地对象的引用属于未定义行为。理论上来说，程序出任何奇怪的行为都是正常的。
在 C++11 之前，返回一个本地对象意味着这个对象会被拷贝，除非编译器发现可以做返回值优化（named return value optimization，或 NRVO），能把对象直接构造到调用者的栈上。从 C++11 开始，返回值优化仍可以发生，但在没有返回值优化的情况下，编译器将试图把本地对象移动出去，而不是拷贝出去。这一行为不需要程序员手工用 std::move 进行干预——使用 std::move 对于移动行为没有帮助，反而会影响返回值优化。
下面是个例子：


#include <iostream>  // std::cout/endl
#include <utility>   // std::move

using namespace std;

class Obj {
public:
  Obj()
  {
    cout << "Obj()" << endl;
  }
  Obj(const Obj&)
  {
    cout << "Obj(const Obj&)"
       << endl;
  }
  Obj(Obj&&)
  {
    cout << "Obj(Obj&&)" << endl;
  }
};

Obj simple()
{
  Obj obj;
  // 简单返回对象；一般有 NRVO
  return obj;
}

Obj simple_with_move()
{
  Obj obj;
  // move 会禁止 NRVO
  return std::move(obj);
}

Obj complicated(int n)
{
  Obj obj1;
  Obj obj2;
  // 有分支，一般无 NRVO
  if (n % 2 == 0) {
    return obj1;
  } else {
    return obj2;
  }
}

int main()
{
  cout << "*** 1 ***" << endl;
  auto obj1 = simple();
  cout << "*** 2 ***" << endl;
  auto obj2 = simple_with_move();
  cout << "*** 3 ***" << endl;
  auto obj3 = complicated(42);
}

输出通常为：

*** 1 ***
Obj()
*** 2 ***
Obj()
Obj(Obj&&)
*** 3 ***
Obj()
Obj()O
bj(Obj&&)

也就是，用了 std::move 反而妨碍了返回值优化。

引用坍缩和完美转发

最后讲一个略复杂、但又不得不讲的话题，引用坍缩（又称“引用折叠”）。这个概念在泛型编程中是一定会碰到的。
我们已经讲了对于一个实际的类型 T，它的左值引用是 T&，右值引用是 T&&。那么：

是不是看到 T&，就一定是个左值引用？
是不是看到 T&&，就一定是个右值引用？
对于前者的回答是“是”，对于后者的回答为“否”

关键在于，在有模板的代码里，对于类型参数的推导结果可能是引用。我们可以略过一些繁复的语法规则，要点是：

对于 template foo(T&&) 这样的代码，如果传递过去的参数是左值，T 的推导结果是左值引用；如果传递过去的参数是右值，T 的推导结果是参数的类型本身。
如果 T 是左值引用，那 T&& 的结果仍然是左值引用——即 type& && 坍缩成了 type&。
如果 T 是一个实际类型，那 T&& 的结果自然就是一个右值引用。

我们之前提到过，右值引用变量仍然会匹配到左值引用上去。下面的代码会验证这一行为：


void foo(const shape&)
{
  puts("foo(const shape&)");
}

void foo(shape&&)
{
  puts("foo(shape&&)");
}

void bar(const shape& s)
{
  puts("bar(const shape&)");
  foo(s);
}

void bar(shape&& s)
{
  puts("bar(shape&&)");
  foo(s);
}

int main()
{
  bar(circle());
}

输出为：

bar(shape&&)
foo(const shape&)

如果我们要让 bar 调用右值引用的那个 foo 的重载，我们必须写成：


foo(std::move(s));

或


foo(static_cast<shape&&>(s));

事实上，很多标准库里的函数，连目标的参数类型都不知道，但我们仍然需要能够保持参数的值类别：左值的仍然是左值，右值的仍然是右值。这个功能在 C++ 标准库中已经提供了，叫 std::forward。它和 std::move 一样都是利用引用坍缩机制来实现。此处，我们不介绍其实现细节，而是重点展示其用法。我们可以把我们的两个 bar 函数简化成：


template <typename T>
void bar(T&& s)
{
  foo(std::forward<T>(s));
}

对于下面这样的代码：


circle temp;
bar(temp);
bar(circle());

现在的输出是：

foo(const shape&)
foo(shape&&)

因为在 T 是模板参数时，T&& 的作用主要是保持值类别进行转发，它有个名字就叫“转发引用”（forwarding reference）。因为既可以是左值引用，也可以是右值引用，它也曾经被叫做“万能引用”（universal reference）。

03|右值和移动究竟解决了什么问题？-

值分左右

左值 lvalue 是有标识符、可以取地址的表达式，最常见的情况有：

反之，纯右值 prvalue 是没有标识符、不可以取地址的表达式，一般也称之为“临时对象”。最常见的情况有：

生命周期和表达式类型

移动的意义

如何实现移动？

不要返回本地变量的引用

引用坍缩和完美转发

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