C++11 中的右值引用與轉移語義

本文介紹了 C++11 標準中的一個特性，右值引用和轉移語義。這個特性能夠使代碼更加簡潔高效。

新特性的目的

右值引用 (Rvalue Referene) 是 C++ 新標準 (C++11, 11 代表 2011 年 ) 中引入的新特性 , 它實現了轉移語義 (Move Sementics) 和精確傳遞 (Perfect Forwarding)。它的主要目的有兩個方面：

消除兩個對象交互時不必要的對象拷貝，節省運算存儲資源，提高效率。
能夠更簡潔明確地定義泛型函數。

左值與右值的定義

C++(包括 C) 中所有的表達式和變量要麼是左值，要麼是右值。通俗的左值的定義就是非臨時對象，那些可以在多條語句中使用的對象。所有的變量都滿足這個定義，在多條代碼中都可以使用，都是左值。右值是指臨時的對象，它們只在當前的語句中有效。請看下列示例 :

簡單的賦值語句

int i = 0;

在這條語句中，i 是左值，0 是臨時值，就是右值。在下面的代碼中，i 可以被引用，0 就不可以了。立即數都是右值。

右值也可以出現在賦值表達式的左邊，但是不能作爲賦值的對象，因爲右值只在當前語句有效，賦值沒有意義。如：((i>0) ? i : j) = 1;在這個例子中，0 作爲右值出現在了”=” 的左邊。但是賦值對象是 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綁定一個右值，如 :

const int &a = 1;

在這種情況下，右值不能被修改的。但是實際上右值是可以被修改的，如 :

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

T 是一個類，set 是一個函數爲 T 中的一個變量賦值，get 用來取出這個變量的值。在這句中，T() 生成一個臨時對象，就是右值，set() 修改了變量的值，也就修改了這個右值。

既然右值可以被修改，那麼就可以實現右值引用。右值引用能夠方便地解決實際工程中的問題，實現非常有吸引力的解決方案。

左值和右值的語法符號

左值的聲明符號爲”&”，爲了和左值區分，右值的聲明符號爲”&&”。

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); 
}

運行結果 :

 LValue processed: 0 
 RValue processed: 1

Process_value 函數被重載，分別接受左值和右值。由輸出結果可以看出，臨時對象是作爲右值處理的。

但是如果臨時對象通過一個接受右值的函數傳遞給另一個函數時，就會變成左值，因爲這個臨時對象在傳遞過程中，變成了命名對象。

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); 
}

運行結果 :

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

雖然 2 這個立即數在函數 forward_value 接收時是右值，但到了 process_value 接收時，變成了左值。

轉移語義的定義

右值引用是用來支持轉移語義的。轉移語義可以將資源 (堆，系統對象等) 從一個對象轉移到另一個對象，這樣能夠減少不必要的臨時對象的創建、拷貝以及銷燬，能夠大幅度提高 C++ 應用程序的性能。臨時對象的維護 ( 創建和銷燬 ) 對性能有嚴重影響。

轉移語義是和拷貝語義相對的，可以類比文件的剪切與拷貝，當我們將文件從一個目錄拷貝到另一個目錄時，速度比剪切慢很多。

通過轉移語義，臨時對象中的資源能夠轉移其它的對象裏。

在現有的 C++ 機制中，我們可以定義拷貝構造函數和賦值函數。要實現轉移語義，需要定義轉移構造函數，還可以定義轉移賦值操作符。對於右值的拷貝和賦值會調用轉移構造函數和轉移賦值操作符。如果轉移構造函數和轉移拷貝操作符沒有定義，那麼就遵循現有的機制，拷貝構造函數和賦值操作符會被調用。

普通的函數和操作符也可以利用右值引用操作符實現轉移語義。

實現轉移構造函數和轉移賦值函數

以一個簡單的 string 類爲示例，實現拷貝構造函數和拷貝賦值操作符。

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] = '\0'; 
    } 

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")); 
}

運行結果 :

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

這個 string 類已經基本滿足我們演示的需要。在 main 函數中，實現了調用拷貝構造函數的操作和拷貝賦值操作符的操作。

MyString(“Hello”) 和 MyString(“World”) 都是臨時對象，也就是右值。雖然它們是臨時的，但程序仍然調用了拷貝構造和拷貝賦值，造成了沒有意義的資源申請和釋放的操作。如果能夠直接使用臨時對象已經申請的資源，既能節省資源，有能節省資源申請和釋放的時間。這正是定義轉移語義的目的。

我們先定義轉移構造函數。

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; 
}

和拷貝構造函數類似，有幾點需要注意：

參數（右值）的符號必須是右值引用符號，即 “&&”。
參數（右值）不可以是常量，因爲我們需要修改右值。
參數（右值）的資源鏈接和標記必須修改。否則，右值的析構函數就會釋放資源。轉移到新對象的資源也就無效了。

現在我們定義轉移賦值操作符。

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; 
}

這裏需要注意的問題和轉移構造函數是一樣的。

增加了轉移構造函數和轉移複製操作符後，我們的程序運行結果爲 :

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

由此看出，編譯器區分了左值和右值，對右值調用了轉移構造函數和轉移賦值操作符。節省了資源，提高了程序運行的效率。

有了右值引用和轉移語義，我們在設計和實現類時，對於需要動態申請大量資源的類，應該設計轉移構造函數和轉移賦值函數，以提高應用程序的效率。

標準庫函數 std::move

既然編譯器只對右值引用才能調用轉移構造函數和轉移賦值函數，而所有命名對象都只能是左值引用，如果已知一個命名對象不再被使用而想對它調用轉移構造函數和轉移賦值函數，也就是把一個左值引用當做右值引用來使用，怎麼做呢？標準庫提供了函數 std::move，這個函數以非常簡單的方式將左值引用轉換爲右值引用。

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)); 
}

運行結果 :

LValue processed: 0 
RValue processed: 0

std::move在提高 swap 函數的的性能上非常有幫助，一般來說，swap函數的通用定義如下：

template  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 函數的定義變爲 :

template  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 
}

通過 std::move，一個簡單的 swap 函數就避免了 3 次不必要的拷貝操作。

精確傳遞 (Perfect Forwarding)

本文采用精確傳遞表達這個意思。”Perfect Forwarding” 也被翻譯成完美轉發，精準轉發等，說的都是一個意思。

精確傳遞適用於這樣的場景：需要將一組參數原封不動的傳遞給另一個函數。

“原封不動” 不僅僅是參數的值不變，在 C++ 中，除了參數值之外，還有一下兩組屬性：

左值／右值和 const/non-const。精確傳遞就是在參數傳遞過程中，所有這些屬性和參數值都不能改變。在泛型函數中，這樣的需求非常普遍。

下面舉例說明。函數 forward_value 是一個泛型函數，它將一個參數傳遞給另一個函數 process_value。

forward_value 的定義爲：

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

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

函數 forward_value 爲每一個參數必須重載兩種類型，T& 和 const T&，否則，下面四種不同類型參數的調用中就不能同時滿足 :

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

對於一個參數就要重載兩次，也就是函數重載的次數和參數的個數是一個正比的關係。這個函數的定義次數對於程序員來說，是非常低效的。我們看看右值引用如何幫助我們解決這個問題 :

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

只需要定義一次，接受一個右值引用的參數，就能夠將所有的參數類型原封不動的傳遞給目標函數。四種不用類型參數的調用都能滿足，參數的左右值屬性和 const/non-cosnt 屬性完全傳遞給目標函數 process_value。這個解決方案不是簡潔優雅嗎？

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

C++11 中定義的 T&& 的推導規則爲：

右值實參爲右值引用，左值實參仍然爲左值引用。

一句話，就是參數的屬性不變。這樣也就完美的實現了參數的完整傳遞。

右值引用，表面上看只是增加了一個引用符號，但它對 C++ 軟件設計和類庫的設計有非常大的影響。它既能簡化代碼，又能提高程序運行效率。每一個 C++ 軟件設計師和程序員都應該理解並能夠應用它。我們在設計類的時候如果有動態申請的資源，也應該設計轉移構造函數和轉移拷貝函數。在設計類庫時，還應該考慮 std::move 的使用場景並積極使用它。

總結

右值引用和轉移語義是 C++ 11 標準中的一個重要特性。每一個專業的 C++ 開發人員都應該掌握並應用到實際項目中。在有機會重構代碼時，也應該思考是否可以應用新也行。在使用之前，需要檢查一下編譯器的支持情況。

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C++11 中的右值引用與轉移語義

新特性的目的

左值與右值的定義

左值和右值的語法符號

轉移語義的定義

實現轉移構造函數和轉移賦值函數

標準庫函數 std::move

精確傳遞 (Perfect Forwarding)

總結

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