C++11：移动语义-阿里云开发者社区

C++11：移动语义

2024-01-10 28

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简介： C++11：移动语义

1、产生背景

背景：在程序运行的过程中，会产生大量的临时对象。临时对象只在某一个表达式执行的过程中创建，表达式执行完毕时，临时对象马上就被销毁。其作用是用来进行过渡的，造成了资源拷贝的不必要的浪费。

需求：希望将临时对象直接转移到新对象中

问题：临时对象是右值，只能通过 const 引用来绑定，但 const 引用同时又可以绑定到左值。C++11之前，当传递参数时，const 引用是无法判断传递过来的参数是左值还是右值（所以const引用又称万能引用）。需要在语法层能够唯一确定传递过来的参数是右值。

解决：C++11 引入右值引用来优化性能，具体来说通过移动语义避免临时对象拷贝，通过 move 语义将临时对象转移到其他对象中，通过 forward 完美转发来解决不能按照参数实际类型来转发的问题。

2、右值引用

左值 vs 右值

左值：表示对象的身份，可以取地址，持久的状态。
右值：表示对象的值，不能取地址，例如：临时对象、字面常量都是右值

右值引用：只能绑定到右值的引用，指向将要被销毁的对象，也就意味着可以自由地接管所引用对象的资源。

变量是左值，不能将一个右值引用绑定到一个变量上，即使这个变量是是右值引用类型。

int &&rr1 = 42;  // 正确，字面值常量是右值
 int &&rr2 = rr1; // 错误，表达式 rr1 是左值，右值引用变量仍然是个左值。

3、std::move

添加编译选项: -fno-elide-constructors

唯一功能：强制将左值转换为右值，等同于 static_cast<T &&>(lvaule)，没有性能上的提升。将左值转换为右值后，左值就不能直接使用了。

std::move()作用于内置类型没有任何作用，内置类型本身是左值还是右值，经过移动后不会改变，对于自定义类型效果不错。

4、移动语义函数

移动语义可以将资源通过浅拷贝方式从一个对象转移到另一个对象，只是转移，没有内存拷贝，从而减少临时对象的创建、拷贝和销毁。传递右值，优先调用移动语义的函数，即移动语义函数的执行优先于复制控制语义函数的执行。

移动语义

移动操作通常不抛出异常，若不抛出异常，则必须将其标记为 noexcept，显式告诉标准库可以安全使用。移动操作后，移动后源对象必须保持有效的、可析构的状态，但用户不能对其值做出任何假设。

只有当一个类没有定义任何版本的拷贝控制成员，且所有数据成员都能移动构造或移动赋值时，编译器才会为它合成移动构造函数或移动赋值运算符。

移动构造函数

浅拷贝
转移后将其置为 nullptr

// 移动构造函数：右值引用作为函数参数
String(String &&rhs) noexcept 
// 1、浅拷贝
: _pstr(rhs._pstr) { 
    // 2、移动后，销毁源对象，这里将其设为 nullptr
    rhs._pstr = nullptr;
}

移动赋值运算符函数

自移动
释放左操作数
浅拷贝
返回 this 指针

// 移动赋值运算符函数：右值引用作为函数参数
String &operator=(String &&rhs) noexcept {
    // rhs 右值引用，拥有名字的变量，在函数内部是一个左值
    // 1、自移动
    if(this != &rhs) {
        // 2、释放左操作数
        delete [] _pstr; 
        _pstr = nullptr;
        // 3、浅拷贝
        _pstr = rhs._pstr; 
        rhs._pstr = nullptr;
    }
    // 4、返回*this
    return *this;
}

例：实现内置类型 string 类

#include <string.h>
#include <iostream>
#include <vector>
using std::cout;
using std::endl;
using std::vector;
class String {
public:
    friend std::ostream & operator<<(std::ostream &os, const String&);
  String()
  : _pstr(new char[1]())
  { cout << "String()" << endl; }
  String(const char * pstr)
  : _pstr(new char[strlen(pstr) + 1]()) {
      cout << "String(const char*)" << endl;
        strcpy(_pstr, pstr);  
  }
  String(const String & rhs)
  : _pstr(new char[strlen(rhs._pstr) + 1]()) {
      cout << "String(const String &)" << endl;
        strcpy(_pstr, rhs._pstr);
  }
  String & operator=(const String & rhs) {
    cout << "String & operator=(const String&)" << endl;  
    if(this != &rhs) {
      delete [] _pstr;
      _pstr = new char[strlen(rhs._pstr) + 1]();
      strcpy(_pstr, rhs._pstr);
    }
    return *this;
  }
  String(String && rhs) noexcept
  : _pstr(rhs._pstr)  {
         cout << "String(String&&)" << endl;
    rhs._pstr = nullptr;
  }
  String & operator=(String && rhs) noexcept {  
    cout << "String& operator=(String&&)" << endl;
    if(this != &rhs) {
      delete [] _pstr;
      _pstr = rhs._pstr;
      rhs._pstr = nullptr;
    }
    return *this;
  }
  ~String() {
         cout << "~String()" << endl;
    if(_pstr){
      delete [] _pstr;
      _pstr = nullptr;
    }
  }
private:
  char * _pstr;
};
std::ostream & operator<<(std::ostream &os, const String& rhs) {
  os << rhs._pstr;
  return os;
}

5、forward 转发

forward 完美转发：参数在传递过程中保持其值属性的功能，即在参数传递过程中，左值传递后仍是左值，右值仍是右值，根据参数的类型转发给正确的函数。

6、emplace_back

就地构造对象，只调用一次构造函数，避免了内存的拷贝和移动。

push_back(); // 两次构造（临时对象创建，容器内部创建），一次析构（临时对象析构）。
 emplace_back(); // 一次构造（容器内直接创建）