【转】C++11 标准新特性: 右值引用与转移语义

VS2013出来了，对于C++来说，最大的改变莫过于对于C++11新特性的支持，在网上搜了一下C++11的介绍，发现这篇文章非常不错，分享给大家同时自己作为存档。

原文地址：http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/1307_lisl_c11/

C++ 的新标准 C++11 已经发布一段时间了。本文介绍了新标准中的一个特性，右值引用和转移语义。这个特性能够使代码更加简洁高效。

新特性的目的

右值引用 (Rvalue Referene) 是 C++ 新标准 (C++11, 11 代表 2011 年 ) 中引入的新特性 , 它实现了转移语义 (Move Sementics) 和精确传递 (Perfect Forwarding)。它的主要目的有两个方面：

1. 消除两个对象交互时不必要的对象拷贝，节省运算存储资源，提高效率。
2. 能够更简洁明确地定义泛型函数。

 

左值与右值的定义

C++( 包括 C) 中所有的表达式和变量要么是左值，要么是右值。通俗的左值的定义就是非临时对象，那些可以在多条语句中使用的对象。所有的变量都满足这个定义，在多条代码中都可以使用，都是左值。右值是指临时的对象，它们只在当前的语句中有效。请看下列示例 :

1. 简单的赋值语句

   如：int i = 0;

   在这条语句中，i 是左值，0 是临时值，就是右值。在下面的代码中，i 可以被引用，0 就不可以了。立即数都是右值。

2. 右值也可以出现在赋值表达式的左边，但是不能作为赋值的对象，因为右值只在当前语句有效，赋值没有意义。

   如：((i>0) ? i : j) = 1;

   在这个例子中，0 作为右值出现在了”=”的左边。但是赋值对象是 i 或者 j，都是左值。

   在 C++11 之前，右值是不能被引用的，最大限度就是用常量引用绑定一个右值，如 :

    const int &a = 1;

   在这种情况下，右值不能被修改的。但是实际上右值是可以被修改的，如 :

    T().set().get();

   T 是一个类，set 是一个函数为 T 中的一个变量赋值，get 用来取出这个变量的值。在这句中，T() 生成一个临时对象，就是右值，set() 修改了变量的值，也就修改了这个右值。

   既然右值可以被修改，那么就可以实现右值引用。右值引用能够方便地解决实际工程中的问题，实现非常有吸引力的解决方案。

 

左值和右值的语法符号

左值的声明符号为”&”， 为了和左值区分，右值的声明符号为”&&”。

示例程序 :

 void process_value(int& i) { 
  std::cout << "LValue processed: " << i << std::endl; 
 } 

 void process_value(int&& i) { 
  std::cout << "RValue processed: " << i << std::endl; 
 } 

 int main() { 
  int a = 0; 
  process_value(a); 
  process_value(1); 
 }

运行结果 :

 LValue processed: 0 
 RValue processed: 1

Process_value 函数被重载，分别接受左值和右值。由输出结果可以看出，临时对象是作为右值处理的。

但是如果临时对象通过一个接受右值的函数传递给另一个函数时，就会变成左值，因为这个临时对象在传递过程中，变成了命名对象。

示例程序 :

 void process_value(int& i) { 
  std::cout << "LValue processed: " << i << std::endl; 
 } 

 void process_value(int&& i) { 
  std::cout << "RValue processed: " << i << std::endl; 
 } 

 void forward_value(int&& i) { 
  process_value(i); 
 } 

 int main() { 
  int a = 0; 
  process_value(a); 
  process_value(1); 
  forward_value(2); 
 }

运行结果 :

 LValue processed: 0 
 RValue processed: 1 
 LValue processed: 2

虽然 2 这个立即数在函数 forward_value 接收时是右值，但到了 process_value 接收时，变成了左值。

 

转移语义的定义

右值引用是用来支持转移语义的。转移语义可以将资源 ( 堆，系统对象等 ) 从一个对象转移到另一个对象，这样能够减少不必要的临时对象的创建、拷贝以及销毁，能够大幅度提高 C++ 应用程序的性能。临时对象的维护 ( 创建和销毁 ) 对性能有严重影响。

转移语义是和拷贝语义相对的，可以类比文件的剪切与拷贝，当我们将文件从一个目录拷贝到另一个目录时，速度比剪切慢很多。

通过转移语义，临时对象中的资源能够转移其它的对象里。

在现有的 C++ 机制中，我们可以定义拷贝构造函数和赋值函数。要实现转移语义，需要定义转移构造函数，还可以定义转移赋值操作符。对于右值的拷贝和赋值会调用转移构造函 数和转移赋值操作符。如果转移构造函数和转移拷贝操作符没有定义，那么就遵循现有的机制，拷贝构造函数和赋值操作符会被调用。

普通的函数和操作符也可以利用右值引用操作符实现转移语义。

 

实现转移构造函数和转移赋值函数

以一个简单的 string 类为示例，实现拷贝构造函数和拷贝赋值操作符。

示例程序 :

 class MyString { 
 private: 
  char* _data; 
  size_t   _len; 
  void _init_data(const char *s) { 
    _data = new char[_len+1]; 
    memcpy(_data, s, _len); 
    _data[_len] = ''; 
  } 
 public: 
  MyString() { 
    _data = NULL; 
    _len = 0; 
  } 

  MyString(const char* p) { 
    _len = strlen (p); 
    _init_data(p); 
  } 

  MyString(const MyString& str) { 
    _len = str._len; 
    _init_data(str._data); 
    std::cout << "Copy Constructor is called! source: " << str._data << std::endl; 
  } 

  MyString& operator=(const MyString& str) { 
    if (this != &str) { 
      _len = str._len; 
      _init_data(str._data); 
    } 
    std::cout << "Copy Assignment is called! source: " << str._data << std::endl; 
    return *this; 
  } 

  virtual ~MyString() { 
    if (_data) free(_data); 
  } 
 }; 

 int main() { 
  MyString a; 
  a = MyString("Hello"); 
  std::vector<MyString> vec; 
  vec.push_back(MyString("World")); 
 }

运行结果 :

 Copy Assignment is called! source: Hello 
 Copy Constructor is called! source: World

这个 string 类已经基本满足我们演示的需要。在 main 函数中，实现了调用拷贝构造函数的操作和拷贝赋值操作符的操作。MyString(“Hello”) 和 MyString(“World”) 都是临时对象，也就是右值。虽然它们是临时的，但程序仍然调用了拷贝构造和拷贝赋值，造成了没有意义的资源申请和释放的操作。如果能够直接使用临时对象已 经申请的资源，既能节省资源，有能节省资源申请和释放的时间。这正是定义转移语义的目的。

我们先定义转移构造函数。

 MyString(MyString&& str) { 
    std::cout << "Move Constructor is called! source: " << str._data << std::endl; 
    _len = str._len; 
    _data = str._data; 
    str._len = 0; 
    str._data = NULL; 
 }

拥有类似右值引用构造函数的类，直接作为函数返回值，或直接采用等号复制可以很大程度优化性能。

和拷贝构造函数类似，有几点需要注意：

1. 参数（右值）的符号必须是右值引用符号，即“&&”。

2. 参数（右值）不可以是常量，因为我们需要修改右值。

3. 参数（右值）的资源链接和标记必须修改。否则，右值的析构函数就会释放资源。转移到新对象的资源也就无效了。

现在我们定义转移赋值操作符。

  MyString& operator=(MyString&& str) { 
    std::cout << "Move Assignment is called! source: " << str._data << std::endl; 
    if (this != &str) { 
      _len = str._len; 
      _data = str._data; 
      str._len = 0; 
      str._data = NULL; 
    } 
    return *this; 
 }

这里需要注意的问题和转移构造函数是一样的。

增加了转移构造函数和转移复制操作符后，我们的程序运行结果为 :

 Move Assignment is called! source: Hello 
 Move Constructor is called! source: World

由此看出，编译器区分了左值和右值，对右值调用了转移构造函数和转移赋值操作符。节省了资源，提高了程序运行的效率。

有了右值引用和转移语义，我们在设计和实现类时，对于需要动态申请大量资源的类，应该设计转移构造函数和转移赋值函数，以提高应用程序的效率。

 

标准库函数 std::move

既然编译器只对右值引用才能调用转移构造函数和转移赋值函数，而所有命名对象都只能是左值引用，如果已知一个命名对象不再被使用而想对它调用转移构 造函数和转移赋值函数，也就是把一个左值引用当做右值引用来使用，怎么做呢？标准库提供了函数 std::move，这个函数以非常简单的方式将左值引用转换为右值引用。

示例程序 :

 void ProcessValue(int& i) { 
  std::cout << "LValue processed: " << i << std::endl; 
 } 

 void ProcessValue(int&& i) { 
  std::cout << "RValue processed: " << i << std::endl; 
 } 

 int main() { 
  int a = 0; 
  ProcessValue(a); 
  ProcessValue(std::move(a)); 
 }

运行结果 :

 LValue processed: 0 
 RValue processed: 0

std::move在提高 swap 函数的的性能上非常有帮助，一般来说，swap函数的通用定义如下：

    template <class T> swap(T& a, T& b) 
    { 
        T tmp(a);   // copy a to tmp 
        a = b;      // copy b to a 
        b = tmp;    // copy tmp to b 
    }

有了 std::move，swap 函数的定义变为 :

 template <class T> swap(T& a, T& b) 
    { 
        T tmp(std::move(a)); // move a to tmp 
        a = std::move(b);    // move b to a 
        b = std::move(tmp);  // move tmp to b 
    }

通过 std::move，一个简单的 swap 函数就避免了 3 次不必要的拷贝操作。

 

精确传递 (Perfect Forwarding)

本文采用精确传递表达这个意思。”Perfect Forwarding”也被翻译成完美转发，精准转发等，说的都是一个意思。

精确传递适用于这样的场景：需要将一组参数原封不动的传递给另一个函数。

“原封不动”不仅仅是参数的值不变，在 C++ 中，除了参数值之外，还有一下两组属性：

左值／右值和 const/non-const。 精确传递就是在参数传递过程中，所有这些属性和参数值都不能改变。在泛型函数中，这样的需求非常普遍。

下面举例说明。函数 forward_value 是一个泛型函数，它将一个参数传递给另一个函数 process_value。

forward_value 的定义为：

 template <typename T> void forward_value(const T& val) { 
  process_value(val); 
 } 
 template <typename T> void forward_value(T& val) { 
  process_value(val); 
 }

函数 forward_value 为每一个参数必须重载两种类型，T& 和 const T&，否则，下面四种不同类型参数的调用中就不能同时满足  :

  int a = 0; 
  const int &b = 1; 
  forward_value(a); // int& 
  forward_value(b); // const int& 
 forward_value(2); // int&

对于一个参数就要重载两次，也就是函数重载的次数和参数的个数是一个正比的关系。这个函数的定义次数对于程序员来说，是非常低效的。我们看看右值引用如何帮助我们解决这个问题  :

 template <typename T> void forward_value(T&& val) { 
  process_value(val); 
 }

只需要定义一次，接受一个右值引用的参数，就能够将所有的参数类型原封不动的传递给目标函数。四种不用类型参数的调用都能满足，参数的左右值属性和 const/non-cosnt 属性完全传递给目标函数 process_value。这个解决方案不是简洁优雅吗？

  int a = 0; 
  const int &b = 1; 
  forward_value(a); // int& 
  forward_value(b); // const int& 
  forward_value(2); // int&&

C++11 中定义的 T&& 的推导规则为：

右值实参为右值引用，左值实参仍然为左值引用。

一句话，就是参数的属性不变。这样也就完美的实现了参数的完整传递。

右值引用，表面上看只是增加了一个引用符号，但它对 C++ 软件设计和类库的设计有非常大的影响。它既能简化代码，又能提高程序运行效率。每一个 C++ 软件设计师和程序员都应该理解并能够应用它。我们在设计类的时候如果有动态申请的资源，也应该设计转移构造函数和转移拷贝函数。在设计类库时，还应该考虑 std::move 的使用场景并积极使用它。

 

总结

右值引用和转移语义是 C++ 新标准中的一个重要特性。每一个专业的 C++ 开发人员都应该掌握并应用到实际项目中。在有机会重构代码时，也应该思考是否可以应用新也行。在使用之前，需要检查一下编译器的支持情况。