[转载]如何在C++03中模拟C++11的右值引用std::move特性

本文摘自: http://adamcavendish.is-programmer.com/posts/38190.htm

引言

众所周知，C++11 的新特性中有一个非常重要的特性，那就是 rvalue reference ，右值引用。
引入它的一个非常重要的原因是因为在 C++ 中，常常右值，通俗地讲"在等号右边的"临时变量或者临时对象，我们是无法得到它的修改权限的。

由于类的构造和析构机制，往往产生的临时变量或临时对象的拷贝构造及析构，会带来不少的时间、资源消耗。
也同样由于这样的限制，有不少 C++ 程序员依然保有一部分 C 风格的写法，例如将 A = factory(B, C); 之中的A，以函数引用参数的形式传入等等。但在 C++11 之后，我们可以完全保留 C++ 的写法，将右值明显指出，就可以完成 "直接获得临时对象" 的资源的权限，例如 A = std::move(B); 或者 A = factory(B, C); ，这时候就 "几乎完全" 省去了拷贝的过程，通过直接获取由 factory(B, C); 造出的临时对象中的资源，达到省略拷贝的过程，最终析构的临时对象，实际上只是一具空空的皮囊。

以下有一个简单的右值引用的例子：（注，本文中的例子仅仅只是例子，请大家不要使用这种风格）

/**
 * Please use g++ -std=c++0x or g++ -std=c++11 to compile.
 */
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
 
template <typename T, std::size_t Num>
class Array
{
public:
    T * _M_data;
 
    Array() :
        _M_data(new T[Num])
    {}  // default constructor
 
    Array(const Array & rhs) :
        _M_data(new T[Num])
    {
        std::cout << "Copy Constructor." << std::endl;
        memcpy(_M_data, rhs._M_data, sizeof(T)*Num);
    }  // copy constructor
 
    // Move constructor -- from rvalue
    Array(Array && rhs) :
        _M_data(rhs._M_data)
    {
        std::cout << "Move Constructor." << std::endl;
        rhs._M_data = nullptr;
    }  // move constructor
 
    Array & operator=(const Array & rhs) {
        std::cout << "Copy Assignment." << std::endl;
        if (this == &rhs)
            return (*this);
        memcpy(_M_data, rhs._M_data, sizeof(T)*Num);
        return (*this);
    }  // copy assignment
 
    // Move Assignment -- from rvalue
    Array & operator=(Array && rhs) {
        std::cout << "Move Assignment." << std::endl;
        if (this == &rhs)
            return (*this);
 
        _M_data = rhs._M_data;
        rhs._M_data = nullptr;
        return (*this);
    }  // move assignment
 
    ~Array()
    {
        std::cout << "destructor." << std::endl;
        delete[] _M_data;
    }  // destructor
 
    static Array factory(const T & __default_val) {
        Array __ret;
        for (auto __i = 0ul; __i < Num; ++__i)
            __ret._M_data[__i] = __default_val;
        return __ret;
    }  // factor(defalt_value)
 
    void print(const std::string & __info) const {
        std::cout << __info;
        if (_M_data == nullptr) {
            std::cout << "_M_data is nullptr." << std::endl;
            return;
        }
 
        for(auto __i = 0ul; __i < Num; ++__i)
            std::cout << _M_data[__i] << ' ';
        std::cout << std::endl;
    }
};
 
int main()
{
    const std::size_t NUM = 10ul;
 
    Array<int, NUM> a0;
    for (auto __i = 0ul; __i < NUM; ++__i)
        a0._M_data[__i] = __i;
    a0.print("a0: ");
 
    Array<int, NUM> a1(a0);
    a0.print("a0: ");
    a1.print("a1: ");
 
    Array<int, NUM> a2(std::move(a1));
    a1.print("a1: ");
    a2.print("a2: ");
 
    Array<int, NUM> a3;
    a3.print("a3(uninitialized): ");
    a3 = a2;
    a3.print("a3: ");
    a3 = Array<int, NUM>::factory(1024);
    a3.print("a3: ");
 
    std::cout << "----------" << std::endl;
    return 0;
}

模拟原理介绍

01. 屏蔽普通的 copy assignment

由于我们要使用 C++03 的特性模拟右值引用 (rvalue-reference) ，所以最重要的就是要先获得对临时对象的访问权限。
故优先考虑的是
   
a3 = Array<int, NUM>::factory(1024);

的实现。

我们考虑我们平时代码中的 operator = 的重载函数，一般 C++03 中处理以上这句代码的，是使用 Array & opeartor =(const Array & rhs); 函数的，即我们平常说的 copy assign operation 。

同时，由于 factory(1024); 返回的是一个Array，当它是临时对象时，它不能被修改，所以不能绑定到Array &类型，而只能绑定到 const Array & 类型上。如果我们要简单屏蔽普通的 copy assignment ，那么最方便的，就是直接去除 Array & operator =(const Array & rhs); 函数。

在去除那个函数之后，你发现你的编译失败了。这就对了 :)

以下为编译失败的代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
 
template <typename T, std::size_t Num>
class Array
{
public:
    T * _M_data;
 
    Array() :
        _M_data(new T[Num])
    {}  // default constructor
 
    Array(const Array & rhs) :
        _M_data(new T[Num])
    {
        std::cout << "Copy Constructor." << std::endl;
        memcpy(_M_data, rhs._M_data, sizeof(T)*Num);
    }  // copy constructor
 
private: // Use private to block/disable default functions generated by c++
    Array & operator =(const Array & rhs) {
        std::cout << "Copy Assignment." << std::endl;
        if (this == &rhs)
            return (*this);
        memcpy(_M_data, rhs._M_data, sizeof(T)*Num);
        return (*this);
    }  // copy assignment
public:
 
    ~Array() {
        std::cout << "destructor." << std::endl;
        delete[] _M_data;
    }  // destructor
 
    static Array factory(const T & __default_val) {
        Array __ret;
        for (std::size_t __i = 0ul; __i < Num; ++__i)
            __ret._M_data[__i] = __default_val;
        return __ret;
    }  // factor(defalt_value)
 
    void print(const std::string & __info) const {
        std::cout << __info;
        if (_M_data == NULL) {
            std::cout << "_M_data is nullptr." << std::endl;
            return;
        }
 
        for (std::size_t __i = 0ul; __i < Num; ++__i)
            std::cout << _M_data[__i] << ' ';
        std::cout << std::endl;
    }
};
 
int main()
{
    const std::size_t NUM = 10ul;
 
    Array<int, NUM> a0;
    for (std::size_t __i = 0ul; __i < NUM; ++__i)
        a0._M_data[__i] = __i;
    a0.print("a0: ");
 
    Array<int, NUM> a1(a0);
    a0.print("a0: ");
    a1.print("a1: ");
 
    Array<int, NUM> a3;
    a3.print("a3(uninitialized): ");
    a3 = Array<int, NUM>::factory(1024);
    a3.print("a3: ");
 
    std::cout << "----------" << std::endl;
    return 0;
}

02. 获得临时对象的访问权限

由于我们无法直接对临时对象进行更改，所以在不改变函数 factory() 的情况下（改了函数就没有意义了），我们只能将其转换为另一个对象类型。这时候我们就要使用 conversion operator/cast operator 了，将其转换成我们可以具有修改权限的类型 -- 例如opeartor T &()。

03. 封装通用conversion类

由于我们需要02中所述的具有可修改性的T类型，这个类型的基本要求如下：

a. 拥有被转换类型的所有成员变量和成员函数，能够自由支配类型中的任意资源
b. 没有时间和空间上的性能损耗
c. 通用性，即不需要为每一个类都重写这个T类型

所以，鉴于此，我们需要使用泛型、继承这两个非常重要的工具。

template <typename T>
class rv : public T
{
public:
    rv() {};
    rv(const rv & rhs) {};
    ~rv() {};
    void operator =(const rv & rhs) {};
};  // class rv

至此，我们就可以通过撰写 Array & operator =(rv<Array> & rhs); 函数来完成我们的 move assignment 了。不过在转换与函数调用之间还差几小步。

04. 提供 move constructor 和 move assignment 接口（这里是机理最重要的部分）

这里要做的是，在我们的 Array 类内提供 move constructor 和 move assignment 的接口。

A:
希望：a = factory(); 时能够产生隐式转换，自动转换到 rv<Array> 类型。便于捕捉资源，区分 a = factory(); 和 a = a0; 之间的差别。
做法：提供 conversion opeartor 。

// conversion operator -- convert to "rv<Array> &"
// conversion operator rv<Array> &()
operator rv<Array> &()
{
    return *(static_cast<rv<Array> *>(this));
}

// When the factory returns a const object
// conversion operator const rv<Array> &()
operator const rv<Array> &() const
{
    return *(static_cast<const rv<Array> *>(this));
}

B:
希望：a = factory(); 时调用的是 Array & operator =(rv<Array> & rhs); 接口。
做法：将原本设定为 private 的用于屏蔽 a = factory(); 的接口 Array & opeartor =(const Array & rhs); 改写为用于间接调用 Array & operator =(rv<Array> & rhs); 接口的方式。

// Lead to the correct move assignment emulation operator
// operator =(const Array & rhs)
Array & operator =(const Array & rhs) {
    this->operator =(static_cast< rv<Array> & >(
        const_cast< Array & >(rhs)));
    return (*this);
}

C:
希望：区分 a = factory(); 和 a = a0; 的调用方式。分别调用模拟的 move assignment 和模拟的 copy assignment 。
做法：由于 a = a0; 既可以匹配 operator =(const Array & rhs) 又可以匹配 operator =(Array & rhs) ，所以只需要分别撰写两个函数就可以达到区分的目的。另外，因为原本标准的 copy assignment 已经被使用作为 move assignment 函数的跳板，即上面B解决的问题，所以我们需要重写一个用于 copy assignment 。

// Lead to the correct copy assignment emulation operator
// operator =(Array & rhs)
Array & operator =(Array & rhs) {
    this->operator =(static_cast<const rv<Array> &>(
        const_cast<const Array &>(rhs)));
    return (*this);
}

// Copy Assignment -- emulated.
// copy assignment operator =(const rv & rhs)
Array & operator =(const rv<Array> & rhs) {
    std::cout << "Copy Assignment." << std::endl;
    if (this == &rhs)
        return (*this);
    memcpy(_M_data, rhs._M_data, sizeof(T) * Num);
    return (*this);
}

我简单总结比较了一下 C++11 和 C++03 两个之间写法的差别：

C++11 的实现:

/**
 * Standard c++11 style.
 */
// Move constructor -- from rvalue
Array(Array && rhs) :
    _M_data(rhs._M_data)
{
    std::cout << "Move Constructor." << std::endl;
    rhs._M_data = nullptr;
}  // move constructor
 
Array & operator =(const Array & rhs) {
    std::cout << "Copy Assignment." << std::endl;
    if (this == &rhs)
        return (*this);
    memcpy(_M_data, rhs._M_data, sizeof(T) * Num);
    return (*this);
}  // copy assignment
 
// Move Assignment -- from rvalue
Array & operator =(Array && rhs)
{
    std::cout << "Move Assignment." << std::endl;
    if (this == &rhs)
        return (*this);
 
    _M_data = rhs._M_data;
    rhs._M_data = nullptr;
    return (*this);
}  // move assignment

C++03 的实现:

/**
 * Emulated rvalue-style
 */
// Lead to the correct copy assignment emulation operator
Array & operator =(Array & rhs) {
    this->operator =(static_cast< const rv<Array> & >(
        const_cast<const Array &>(rhs)));
    return (*this);
}  // operato r=(Array & rhs)
 
// Lead to the correct move assignment emulation operator
Array & operator =(const Array & rhs) {
    this->operator =(static_cast< rv<Array> & >(
        const_cast<Array &>(rhs)));
    return (*this);
}  // operator =(const Array & rhs)
 
// conversion operator -- convert to "rv<Array> &"
operator rv<Array> &() {
    return *(static_cast< rv<Array> * >(this));
}  // conversion operator rv<Array> &()
 
// ------------------------------
 
// Move constructor -- emulated.
Array(rv<Array> & rhs) :
    _M_data(rhs._M_data)
{
    std::cout << "Move Constructor." << std::endl;
    rhs._M_data = NULL;
}  // move constructor
 
// Copy Assignment -- emulated.
Array & operator =(const rv<Array><array> & rhs) {
    std::cout << "Copy Assignment." << std::endl;
    if (this == &rhs)
        return (*this);
    memcpy(_M_data, rhs._M_data, sizeof(T)*Num);
    return (*this);
}  // copy assignment operator =(const rv<Array><array> & rhs)
 
// Move Assignment -- emulated.
Array & operator =(rv<Array> & rhs) {
    std::cout << "Move Assignment." << std::endl;
    if (this == &rhs)
        return (*this);
    _M_data = rhs._M_data;
    rhs._M_data = NULL;
    return (*this);
}  // move assignment

05. std::move的实现

在完成我们的任务之前，我们最后还需要一个函数能够将左值转换成右值，以替代std::move()函数。
由于我们需要这个函数能适配所有的类型，所以它依然要使用泛型～

/**
 * @brief std::move Implementations
 */
template <typename T>
inline rv<T> & move_emu(T & rhs) {
    return *(static_cast< rv<T> * >(&rhs));
}  // move_emu(T &)

然而，单单使用 T & 作为参数是不够的。因为：

a. 如果传入的对象本身是右值，即本身是 rv<T> 类型，我们应该返回的是它本身，而不应该返回为 rv< rv<T> > 类型。
b. 如果传入的对象本身是 cons t保护的，我们不应该夺取它的资源。我们应该按照 std::move 的标准，调用 copy assignment 或者 copy constructor 。
   （这样的意义常常在于写泛型的时候使用 std::move(T) ，我们并不知情 T 是什么类型，当为 const 的时候调用 copy functions 即可）
c. 我们还需要对每一个基本数据类型进行模板特化，例如 template <> inline int move_emu(int rhs) { return rhs; } 。（这个是体力活了 :) 自己做咯～）

/**
 * @brief used for std::move(const values);
 * -- call copy construction/assignment
 */
template <typename T>
inline const T & move_emu(const T & rhs) {
    return rhs;
}  // move_emu(const T &)
 
template <typename T>
inline rv<T> & move_emu(rv<T> & rhs) {
    return rhs;
}  // move_emu(rv<T> &)

上面要写的 rv<T> 和 move_emu 以及 helper functions 都是具有一定的通用性。所以我们完全可以写在一个文件中，作为头文件包含进来即可：

/**
 * @file move_emu.hpp
 */
#pragma once
 
template <typename T>
class rv : public T
{
    rv() {};
    rv(const rv & rhs) {};
    ~rv() {};
    void operator =(const rv & rhs) {};
};
 
template <typename T>
inline rv<T> & move_emu(T & rhs) {
    return *(static_cast< rv<T> * >(&rhs));
}
 
/**
 * @brief used for std::move(const values);
 * -- call copy construction/assignment
 */
template <typename T>
inline const T & move_emu(const T & rhs) {
    return rhs;
}
 
template <typename T>
inline rv<T> & move_emu(rv<T> & rhs) {
    return rhs;
}
 
#define COPYABLE_AND_MOVABLE(TYPE) 
    public: 
    TYPE & operator =(TYPE & t) 
    {  this->operator =(static_cast<const rv<TYPE> &>(const_cast<const TYPE &>(t))); return *this;} 
    public: 
    operator rv<TYPE> &() 
    {  return *static_cast< rv<TYPE> * >(this);  } 
    operator const rv<TYPE> &() const 
    {  return *static_cast<const rv<TYPE> * >(this);  } 
    private: 
    //
     
#define COPY_ASSIGN_REF(TYPE) 
    const rv< TYPE > & 
    //
     
#define RV_REF(TYPE) 
    rv< TYPE > & 
    //

这时候你在类中就可以直接使用 #define 的宏来简化你的写法和记忆了 :)

再举一个例子：

#include "move_emu.hpp"
#include <iostream>
 
class integer
{
    COPYABLE_AND_MOVABLE(integer)
public:
    int * value;
 
    // default constructor
    integer() : value(new int()) {
        std::cout << "default construct!" << std::endl;
    }
 
    // constructor(int)
    integer(int __val) : value(new int(__val)) {
        std::cout << "num construct!" << std::endl;
    }
 
    // copy constructor
    integer(const integer & x) : value(new int(*(x.value))) {
        std::cout << "Copy construct!" << std::endl;
    }
 
    // move constructor
    integer(RV_REF(integer) x) :
        value(x.value)
    {
        std::cout << "Move construct!" << std::endl;
 
        x.value = NULL;
    }
 
    // destructor
    ~integer() {
        std::cout << "Destructor!" << std::endl;
        delete value;
    }
 
    /**
     * Copy assignment -- replace const integer & x
     *      with const rv<integer> & x
     * reason -- let factory(rhs) function use operator=(integer & x)
     */
    // copy assignment
    integer & operator =(COPY_ASSIGN_REF(integer) x) {
        std::cout << "Copy assign!" << std::endl;
 
        if(this != &x) {
            delete value;
            value = new int(*(x.value));
        }
        return *this;
    }
 
    // move assignment
    integer & operator =(RV_REF(integer) x) {
        std::cout << "Move assign!" << std::endl;
 
        if (this != &x) {
            delete value;
            value = x.value;
            x.value = NULL;
        }
        return *this;
    }
};
 
integer factory(int i) {
    integer ret;
    *(ret.value) = (i + 1024);
    return ret;
}
 
int main()
{
    integer x1(100);
    std::cout << "x1 = " << *x1.value << std::endl;
    std::cout << "-----------------" << std::endl;
 
    integer x2 = move_emu(x1);
    std::cout << std::boolalpha << "x1.value == NULL: "
        << (x1.value == NULL) << std::endl;
    std::cout << "x2 = " << *x2.value << std::endl;
    std::cout << "-----------------" << std::endl;
 
    integer x3(move_emu(move_emu(x2)));
    std::cout << std::boolalpha << "x2.value == NULL: "
        << (x2.value == NULL) << std::endl;
    std::cout << "x3 = " << *x3.value << std::endl;
    std::cout << "-----------------" << std::endl;
 
    // do not use move_emu(factory(1024)), failure.
    // std::move(factory(1024)) success.
    integer x4;
    x4 = factory(1024);
    std::cout << "x4 = " << *x4.value << std::endl;
    std::cout << "-----------------" << std::endl;
 
    const integer x5(200);
    std::cout << "x5 = " << *x5.value << std::endl;
    std::cout << "-----------------" << std::endl;
 
    // std::move will convert it into a copy construction
    const integer x6 = move_emu(x5);
    std::cout << std::boolalpha << "x5.value == NULL: "
        << (x5.value == NULL) << std::endl;
    std::cout << "x6 = " << *x6.value << std::endl;
    std::cout << "-----------------" << std::endl;
 
    return 0;
}

参考:

Boost.Move