深入浅出 C 11 右值引用 | BOT Man JL

[guevara]

深入浅出 C++ 11 右值引用 | BOT Man JL



https://ift.tt/lbwkinL

目录

1 写在前面

如果你还不知道 C++ 11 引入的右值引用是什么，可以读读这篇文章，看看有什么 启发；如果你已经对右值引用了如指掌，也可以读读这篇文章，看看有什么 补充。欢迎交流~ 😉

尽管 C++ 17 标准已经发布了，很多人还不熟悉 C++ 11 的 右值引用/移动语义/拷贝省略/通用引用/完美转发 等概念，甚至对一些细节 有所误解（包括我 🙃）。

本文将以最短的篇幅，一步步解释 关于右值引用的 为什么/是什么/怎么做。先分享几个我曾经犯过的错误。😂

1.1 误解：返回前，移动局部变量

ES.56: Write std::move() only when you need to explicitly move an object to another scope

if (!source.empty()) { url += UrlEncode("&source=" + std::move(source)); } LOG << url << " " << source; 

上述代码的问题在于：使用 std::move() 移动局部变量 source，会导致后续代码不能使用该变量；如果使用，会出现 未定义行为 (undefined behavior)（参考：std::basic_string(basic_string&&)）。

如果把 std::string 换成 std::unique_ptr，则可能导致 空指针崩溃：

if (value.succeeded) { std::unique_ptr<Payload> payload = std::move(value.payload); } LOG << value.payload->x(); 

对于不需要 转移所有权 的情况，应该改用 裸指针引用：

if (value.succeeded) { Payload* payload = value.payload.get(); } LOG << value.payload->x(); 

如何检查 移动后使用 (use after move)：

• 运行时，在 移动构造/移动赋值 函数中，将被移动的值设置为无效状态，并在每次使用前检查有效性
• 编译时，使用 Clang 标记对移动语义进行静态检查（参考：Consumed Annotation Checking | Attributes in Clang）

1.2 误解：被移动的值不能再使用

C.64: A move operation should move and leave its source in a valid state

很多人认为：被移动的值会进入一个 非法状态 (invalid state)，对应的 内存不能再访问。

其实，C++ 标准要求对象 遵守 § 3 移动语义 —— 被移动的对象进入一个 合法但未指定状态 (valid but unspecified state)，调用该对象的方法（包括析构函数）不会出现异常，甚至在重新赋值后可以继续使用：

auto p = std::make_unique<int>(1); auto q = std::move(p); assert(p == nullptr); p.reset(new int{2}); assert(*p == 2); 

另外，基本类型（例如 int/double）的移动语义 和拷贝相同：

int i = 1; int j = std::move(i); assert(i == j); 

1.3 误解：移动非引用返回值

F.48: Don’t return std::move(local)

std::unique_ptr<int> foo() { auto ret = std::make_unique<int>(1); return std::move(ret); } 

上述代码的问题在于：没必要使用 std::move() 移动非引用返回值。

C++ 会把 即将离开作用域的 非引用类型的 返回值当成 右值（参考 § 2.1），对返回的对象进行 § 3 移动构造（语言标准）；如果编译器允许 § 4 拷贝省略，还可以省略这一步的构造，直接把 ret 存放到返回值的内存里（编译器优化）。

Never apply std::move() or std::forward() to local objects if they would otherwise be eligible for the return value optimization. —— Scott Meyers, Effective Modern C++

另外，误用 std::move() 会 阻止 编译器的拷贝省略 优化。不过聪明的 Clang 会提示 -Wpessimizing-move/-Wredundant-move 警告。

1.4 误解：不移动右值引用参数

F.18: For “will-move-from” parameters, pass by X&& and std::move() the parameter

std::unique_ptr<int> bar(std::unique_ptr<int>&& val) { return val; } 

上述代码的问题在于：没有对返回值使用 std::move()（编译器提示 std::unique_ptr(const std::unique_ptr&) = delete 错误）。

If-it-has-a-name Rule:

• Named rvalue references are lvalues.
• Unnamed rvalue references are rvalues.

因为不论 左值引用 还是 右值引用 的变量（或参数）在初始化后，都是左值（参考 § 2.1）：

• 命名的右值引用 (named rvalue reference) 变量 是 左值，但变量类型 却是 右值引用
• 在作用域内，左值变量 可以通过 变量名 (variable name) 被取地址、被赋值

所以，返回右值引用变量时，需要使用 std::move()/std::forward() 显式的 § 5.4 移动转发 或 § 5.3 完美转发，将变量 “还原” 为右值（右值引用类型）。

1.5 误解：手写错误的移动构造函数

C.20: If you can avoid defining default operations, do

C.21: If you define or =delete any default operation, define or =delete them all

C.80: Use =default if you have to be explicit about using the default semantics

C.66: Make move operations noexcept

实际上，多数情况下：

• 如果 没有定义 拷贝构造/拷贝赋值/移动构造/移动赋值/析构 函数的任何一个，编译器会 自动生成 移动构造/移动赋值 函数（rule of zero）
• 如果 需要定义 拷贝构造/拷贝赋值/移动构造/移动赋值/析构 函数的任何一个，不要忘了 移动构造/移动赋值 函数，否则对象会 不可移动（rule of five）
• 尽量使用 =default 让编译器生成 移动构造/移动赋值 函数，否则 容易写错
• 如果 需要自定义 移动构造/移动赋值 函数，尽量定义为 noexcept 不抛出异常（编译器生成的版本会自动添加），否则 不能高效 使用标准库和语言工具

例如，标准库容器 std::vector 在扩容时，会通过 std::vector::reserve() 重新分配空间，并转移已有元素。如果扩容失败，std::vector 满足 强异常保证 (strong exception guarantee)，可以回滚到失败前的状态。

为此，std::vector 使用 std::move_if_noexcept() 进行元素的转移操作：

• 优先 使用 noexcept 移动构造函数（高效；不抛出异常）
• 其次 使用 拷贝构造函数（低效；如果异常，可以回滚）
• 再次 使用 非 noexcept 移动构造函数（高效；如果异常，无法回滚）
• 最后 如果 不可拷贝、不可移动，编译失败

如果 没有定义移动构造函数 或 自定义的移动构造函数没有 noexcept，会导致 std::vector 扩容时执行无用的拷贝，不易发现。

2 基础知识

之所以会出现上边的误解，往往是因为 C++ 语言的复杂性 和 使用者对基础知识的掌握程度 不匹配。

2.1 值类别 vs 变量类型

划重点 —— 值 (value) 和 变量 (variable) 是两个独立的概念：

• 值 只有 类别 (category) 的划分，变量 只有 类型 (type) 的划分 😵
• 值 不一定拥有 身份 (identity)，也不一定拥有 变量名（例如 表达式中间结果 i + j + k）

值类别 (value category) 可以分为两种：

• 左值 (lvalue, left value) 是 能被取地址、不能被移动 的值
• 右值 (rvalue, right value) 是 表达式中间结果/函数返回值（可能拥有变量名，也可能没有）

C++ 17 细化了 prvalue/xvalue/lvalue 和 rvalue/glvalue 类别，本文不详细讨论。

引用类型 (reference type) 属于一种 变量类型 (variable type)，将在 § 2.2 详细讨论。

在变量 初始化 (initialization) 时，需要将 初始值 (initial value) 绑定到变量上；但 引用类型变量 的初始化 和其他的值类型（非引用类型）变量不同：

• 创建时，必须显式初始化（和指针不同，不允许 空引用 (null reference)；但可能存在 悬垂引用 (dangling reference)）
• 相当于是 其引用的值 的一个 别名 (alias)（例如，对引用变量的 赋值运算 (assignment operation) 会赋值到 其引用的值 上）
• 一旦绑定了初始值，就 不能重新绑定 到其他值上了（和指针不同，赋值运算不能修改引用的指向；而对于 Java/JavaScript 等语言，对引用变量赋值 可以重新绑定）

2.2 左值引用 vs 右值引用 vs 常引用

引用类型 可以分为两种：

• 左值引用 (l-ref, lvalue reference) 用 & 符号引用 左值（但不能引用右值）
• 右值引用 (r-ref, rvalue reference) 用 && 符号引用 右值（也可以移动左值）

void f(Data& data); void f(Data&& data); Data data; Data& data1 = data; Data& data1 = Data{}; Data&& data2 = Data{}; Data&& data2 = data; Data&& data2 = std::move(data); f(data); f(Data{}); f(data1); f(data2); 

• 左值引用 变量 data1 在初始化时，不能绑定右值 Data{}
• 右值引用 变量 data2 在初始化时，不能绑定左值 data
  • 但可以通过 std::move() 将左值 转为右值引用（参考 § 5.4）
• 右值引用 变量 data2 被初始化后，在作用域内是 左值（参考 § 1.4），所以匹配 f() 的 重载 2

另外，C++ 还支持了 常引用 (c-ref, const reference)，同时接受 左值/右值 进行初始化：

void g(const Data& data); g(data); g(Data{}); 

常引用和右值引用 都能接受右值的绑定，有什么区别呢？

• 通过 右值引用/常引用 初始化的右值，都可以将 生命周期扩展 (lifetime extension) 到 绑定该右值的 引用的生命周期
• 初始化时 绑定了右值后，右值引用 可以修改 引用的右值，而 常引用 不能修改

const Data& data1 = Data{}; data1.modify(); Data&& data2 = Data{}; data2.modify(); 

2.3 引用参数重载优先级

如果函数重载同时接受 右值引用/常引用 参数，编译器 优先重载 右值引用参数 —— 是 § 3 移动语义 的实现基础：

void f(const Data& data); void f(Data&& data); f(Data{}); 

针对不同左右值 实参 (argument) 重载 引用类型 形参 (parameter) 的优先级如下：

实参/形参	T&	const T&	T&&	const T&&
lvalue	1	2
const lvalue		1
rvalue		3	1	2
const rvalue		2		1

• 数值越小，优先级越高；如果不存在，则重载失败
• 如果同时存在 传值 (by value) 重载（接受值类型参数 T），会和上述 传引用 (by reference) 重载产生歧义，编译失败
• 常右值引用 (const rvalue reference) const T&& 一般不直接使用（参考）
• 另外，避免使用 常右值 (const rvalue)（例如 函数返回值不要用 const T，否则无法使用 § 3 移动语义）

2.4 引用折叠

引用折叠 (reference collapsing) 是 § 5.4 std::move() 和 § 5.3 std::forward() 的实现基础：

using Lref = Data&; using Rref = Data&&; Data data; Lref& r1 = data; Lref&& r2 = data; Rref& r3 = data; Rref&& r4 = Data{}; 

3 移动语义

在 C++ 11 强化了左右值概念后，提出了 移动语义 (move semantic) 优化：由于右值对象一般是临时对象，在移动时，对象包含的资源 不需要先拷贝再删除，只需要直接 从旧对象移动到新对象。

同时，要求 被移动的对象 处于 合法但未指定状态（参考 § 1.2）：

• （基本要求）能正确析构（不会重复释放已经被移动了的资源，例如 std::unique_ptr::~unique_ptr() 检查指针是否需要 delete）
• （一般要求）重新赋值后，和新的对象没有差别（C++ 标准库基于这个假设）
• （更高要求）恢复为默认值（例如 std::unique_ptr 恢复为 nullptr）

由于基本类型不包含资源，其移动和拷贝相同：被移动后，保持为原有值。

3.1 避免先拷贝再释放资源

一般通过 重载构造/赋值函数 实现移动语义。例如，std::vector 有：

• 以常引用作为参数的 拷贝构造函数 (copy constructor)
• 以右值引用作为参数的 移动构造函数 (move constructor)

template<typename T> class vector { public: vector(const vector& rhs); vector(vector&& rhs) noexcept; ~vector(); private: T* data_ = nullptr; size_t size_ = 0; }; vector::vector(const vector& rhs) : data_(new T[rhs.size_]) { auto &lhs = *this; lhs.size_ = rhs.size_; std::copy_n(rhs.data_, rhs.size_, lhs.data_); } vector::vector(vector&& rhs) noexcept { auto &lhs = *this; lhs.size_ = rhs.size_; lhs.data_ = rhs.data_; rhs.size_ = 0; rhs.data_ = nullptr; } vector::~vector() { if (data_) delete[] data_; } 

上述代码中，构造函数 vector::vector() 根据实参判断（重载优先级参考 § 2.3）：

• 实参为左值时，拷贝构造，使用 new[]/std::copy_n 拷贝原对象的所有元素（本方案有一次冗余的默认构造，仅用于演示）
• 实参为右值时，移动构造，把指向原对象内存的指针 data_、内存大小 size_ 拷贝到新对象，并把原对象这两个成员置 0

析构函数 vector::~vector() 检查 data_ 是否有效，决定是否需要释放资源。

此处省略 拷贝赋值/移动赋值 函数，但建议加上。（参考 § 1.5）

此外，类的成员函数 还可以通过 引用限定符 (reference qualifier)，针对当前对象本身的左右值状态（以及 const-volatile）重载：

class Foo { public: Data data() && { return std::move(data_); } Data data() const& { return data_; } }; auto ret1 = foo.data(); auto ret2 = Foo{}.data(); 

3.2 转移不可拷贝的资源

在之前写的 资源管理小记 提到：如果资源是 不可拷贝 (non-copyable) 的，那么装载资源的对象也应该是不可拷贝的。

如果资源对象不可拷贝，一般需要定义 移动构造/移动赋值 函数，并禁用 拷贝构造/拷贝赋值 函数。例如，智能指针 std::unique_ptr 只能移动 (move only)：

template<typename T> class unique_ptr { public: unique_ptr(const unique_ptr& rhs) = delete; unique_ptr(unique_ptr&& rhs) noexcept; private: T* data_ = nullptr; }; unique_ptr::unique_ptr(unique_ptr&& rhs) noexcept { auto &lhs = *this; lhs.data_ = rhs.data_; rhs.data_ = nullptr; } 

上述代码中，unique_ptr 的移动构造过程和 vector 类似：

• 把指向原对象内存的指针 data_ 拷贝到新对象
• 把原对象的指针 data_ 置为空

3.3 反例：不遵守移动语义

移动语义只是语言上的一个 概念，具体是否移动对象的资源、如何移动对象的资源，都需要通过编写代码 实现。而移动语义常常被 误认为，编译器 自动生成 移动对象本身的代码（§ 4 拷贝省略）。

为了证明这一点，我们可以实现不遵守移动语义的 bad_vec::bad_vec(bad_vec&& rhs)，执行拷贝语义：

bad_vec::bad_vec(bad_vec&& rhs) : data_(new T[rhs.size_]) { auto &lhs = *this; lhs.size_ = rhs.size_; std::copy_n(rhs.data_, rhs.size_, lhs.data_); } 

那么，一个 bad_vec 对象在被 move 移动后仍然可用：

bad_vec<int> v_old { 0, 1, 2, 3 }; auto v_new = std::move(v_old); v_old[0] = v_new[3]; assert(v_old[0] != v_new[0]); assert(v_old[0] == v_new[3]); 

虽然代码可以那么写，但是在语义上有问题：进行了拷贝操作，违背了移动语义的初衷。

4 拷贝省略

尽管 C++ 引入了移动语义，移动的过程 仍有优化的空间 —— 与其调用一次 没有意义的移动构造函数，不如让编译器 直接跳过这个过程 —— 于是就有了 拷贝省略 (copy elision)。

然而，很多人会把移动语义和拷贝省略 混淆：

• 移动语义是 语言标准 提出的概念，通过编写遵守移动语义的 移动构造函数、右值限定成员函数，逻辑上 优化 对象内资源 的转移流程
• 拷贝省略是 非标准（C++ 17 前）的 编译器优化，跳过移动/拷贝构造函数，让编译器直接在 移动后的对象 内存上，构造 被移动的对象 —— 在 不同作用域 的变量，使用 同一块内存

struct Foo { int x, y; }; struct Bar { int x[8]; }; Foo CreateFoo() { Foo foo; foo.x = 1; return foo; } Bar CreateBar() { Bar bar; bar.x[0] = 2; return bar; } int main() { auto a = CreateFoo(); auto b = CreateBar(); return a.x + b.x[0]; } 

上述代码展示了什么是拷贝省略（在线运行）：

• Foo 对象大小为 2 个 int（8 byte）不要相信一个熬夜的人说的每一句话 #1
  • 函数 CreateFoo() 给变量 foo 分配 8 byte 栈空间 5 Easy Ways to Save an Article Feedly Blog #3
  • 函数 CreateFoo() 返回时把 8 byte（qword）数据拷贝到 rax 寄存器 魏阳 中国人的月亮崇拜史 #4
  • 函数 main() 把调用返回的 rax 拷贝到变量 a 的 8 byte（qword）的栈空间里 企業復盤SLOW之O 青蛙加復盤等於閉環Closed Loop #6
  • 因为对象比较小，一般通过 寄存器传递
• Bar 对象大小为 8 个 int（32 byte）如何收集竞争情报财报解读 #2
  • 函数 main() 把给变量 b 分配的 32 byte 栈空间的地址，写入 rdi 寄存器 C11多线程编程(2) - Chen Yuan's Blog #7
  • 函数 CreateBar() 的变量 bar 和调用者 main() 里的 b 使用相同的地址（放在 rdi），不需要分配栈空间，也不构造新的对象 卢小波 难吃的月饼勾画出了中国的人际关系 #5
  • 因为对象比较大，一般支持 拷贝省略

另外，§ 1.3 提到：如果使用 std::move() 移动返回值，会导致拷贝省略不可用 —— 分配两次栈空间，再多执行一次构造函数，将会带来 不必要的开销。

C++ 17 要求编译器对 纯右值 (prvalue, pure rvalue) 进行拷贝省略优化。（参考）

Data f() { Data val; throw val; return val; } void g(Date arg); Data v = f(); g(f()); 

初始化 局部变量、函数参数时，传入的纯右值可以确保被优化 —— Return Value Optimization (RVO)；而返回的 将亡值 (xvalue, eXpiring value) 不保证被优化 —— Named Return Value Optimization (NRVO)。

5 通用引用和完美转发

揭示 std::move()/std::forward() 的原理，需要读者有一定的 模板编程基础。

5.1 为什么需要通用引用

C++ 11 引入了变长模板的概念，允许向模板参数里传入不同类型的不定长引用参数。由于每个类型可能是左值引用或右值引用，针对所有可能的左右值引用组合，特化所有模板 是 不现实的。

假设没有 通用引用的概念，模板 std::make_unique<> 至少需要两个重载：

template<typename T, typename... Args> unique_ptr<T> make_unique(const Args&... args) { return unique_ptr<T> { new T { args... } }; } template<typename T, typename... Args> unique_ptr<T> make_unique(Args&&... args) { return unique_ptr<T> { new T { std::move<Args>(args)... } }; } 

• 对于传入的左值引用 const Args&... args，只要展开 args... 就可以转发这一组左值引用
• 对于传入的右值引用 Args&&... args，需要通过 § 5.4 std::move() 转发出去，即 std::move<Args>(args)...（为什么要转发：参考 § 1.4）

上述代码的问题在于：如果传入的 args 既有 左值引用 又有 右值引用，那么这两个模板都 无法匹配。

5.2 通用引用

Item 24: Distinguish universal references from rvalue references. —— Scott Meyers, Effective Modern C++

Scott Meyers 指出：有时候符号 && 并不一定代表右值引用，它也可能是左值引用 —— 如果一个引用符号需要通过 左右值类型推导（模板参数类型 或 auto 推导），那么这个符号可能是左值引用或右值引用 —— 这叫做 通用引用 (universal reference)。

 void f1(Widget&& param1); Widget&& var1 = Widget(); template<typename T> void f2(vector<T>&& param2); auto&& var2 = var1; template<typename T> void f3(T&& param); 

上述代码中，前三个 && 符号不涉及引用符号的左右值类型推导，都是右值引用；而后两个 && 符号会 根据初始值推导左右值类型：

• 对于 var2
  • 因为 var1 是左值，所以 var2 也是左值引用
  • 推导不会参考 var1 的变量类型
• 对于 T&&
  • 如果 param 传入左值，T&& 是左值引用 std::remove_reference_t<T>&
  • 如果 param 传入右值，T&& 是右值引用 std::remove_reference_t<T>&&

基于通用引用，§ 5.1 的模板 std::make_unique<> 只需要一个重载：

template<typename T, typename... Args> unique_ptr<T> make_unique(Args&&... args) { return unique_ptr<T> { new T { std::forward<Args>(args)... } }; } 

其中，std::forward() 实现了 针对不同左右值参数的转发 —— 完美转发。

5.3 完美转发

什么是 完美转发 (perfect forwarding)：

• 如果参数是 左值引用，直接以 左值引用 的形式，转发给下一个函数
• 如果参数是 右值引用，要先 “还原” 为 右值引用 的形式，再转发给下一个函数

因此，std::forward() 定义两个 不涉及 左右值类型 推导 的模板（不能使用 通用引用参数）：

template <typename T> T&& forward(std::remove_reference_t<T>& val) noexcept { return static_cast<T&&>(val); } template <typename T> T&& forward(std::remove_reference_t<T>&& val) noexcept { static_assert(!std::is_lvalue_reference_v<T>, "Cannot forward rvalue as lvalue."); return static_cast<T&&>(val); } 

实参/返回值	重载	l-ref 返回值	r-ref 返回值
l-ref 实参	#1	完美转发	移动转发
r-ref 实参	#2	语义错误	完美转发

• 尽管初始化后的变量都是 左值（参考 § 1.4），但原始的 变量类型 仍会保留
• 因此，可以根据 实参类型 选择重载，和模板参数 T 的类型无关
• 返回值类型 static_cast<T&&>(val) 经过模板参数 T&& § 2.4 引用折叠 实现 完美转发/移动转发，和实参类型无关
• “将 l-ref 实参 转发为 r-ref 返回值” 等价于 § 5.4 std::move() 移动转发

5.4 移动转发

类似的，std::move() 只转发为右值引用类型：

template <typename T> std::remove_reference_t<T>&& move(T&& val) noexcept { return static_cast<std::remove_reference_t<T>&&>(val); } 

实参/返回值	r-ref 返回值
l-ref 实参	移动转发
r-ref 实参	移动转发（完美转发）

• 接受 通用引用模板参数 T&&（无需两个模板，使用时不区分 T 的引用类型）
• 返回值 static_cast<std::remove_reference_t<T>&&>(val) 将实参 转为将亡值（右值引用类型）
• 所以 std::move<T>() 等价于 std::forward<std::remove_reference_t<T>&&>()

最后，std::move()/std::forward() 只是编译时的变量类型转换，不会产生目标代码。

写在最后

虽然这些东西你不知道，也不会伤害你；但如果你知道了，就可以合理利用，从而提升开发效率，避免不必要的问题。

感谢 @flythief/@WalkerJG 的修改建议，感谢 @泛化之美 对 § 1.5 的补充~ 😊

如果有什么问题，欢迎交流。😄

Delivered under MIT License © 2018, BOT Man

via bot-man-jl.github.io https://ift.tt/AyXdL0G

September 28, 2023 at 10:08AM