詳解C++11中的右值引用與移動語義
C++11的一個最主要的特性就是可以移動而非拷貝對象的能力。很多情況都會發(fā)生對象的拷貝,有時對象拷貝后就立即銷毀,在這些情況下,移動而非拷貝對象會大幅度提升性能。
右值與右值引用
為了支持移動操作,新標(biāo)準(zhǔn)引入了一種新的引用類型——右值引用,就是必須綁定到右值的引用。我們通過&&而不是&來獲得右值引用。右值引用一個重要的特性就是只能綁定到將要銷毀的對象。
左值和右值是表達(dá)式的屬性,一些表達(dá)式生成或要求左值,而另一些則生成或要求右值。一般而言,一個左值表達(dá)式表示的是一個對象的身份,而右值表達(dá)式表示的是對象的值。(可以取地址的、有名字的就是左值;不能取地址的、沒有名字的就是右值。)兩者明顯的區(qū)別就是左值有持久的狀態(tài),而右值要么是字面常量,要么是在表達(dá)式求值過程中創(chuàng)建的臨時對象。
類似于常規(guī)引用(左值引用),一個右值引用也不過是某個對象的另一個名字而已。我們不能將左值引用綁定到要求轉(zhuǎn)換的表達(dá)式、字面常量或是返回值的表達(dá)式,也不能把右值應(yīng)用直接綁定到一個左值上。但是,常量左值引用可以綁定到非常量左值、常量左值、右值,是一個萬能引用類型。不過相比右值引用所引用的右值,常量左值引用所引用的右值在它的“余生”中只能是只讀的。
int i = 42; int &r = i; //r引用i int &r2 = i*2; //錯誤,i*2是一個右值 int &&rr = i; //錯誤,不能將一個右值引用綁定到一個左值上 int &&rr2 = i*2; //正確,將rr2綁定到一個乘法結(jié)果上 const int &r3 = i*2; //正確,將一個常量引用綁定到一個右值上
變量可以看做只有一個運算對象而沒有運算符的表達(dá)式,是一個左值。我們不能將一個右值引用直接綁定到一個變量上,即使這個變量是右值引用類型。但是,我們可以通過新標(biāo)準(zhǔn)庫中的move函數(shù)來獲得綁定到左值上的右值引用。
int &&rr3 = std::move(rr2);
注意,被轉(zhuǎn)化的左值,其生命周期并沒有隨著左右至的轉(zhuǎn)化而改變,在轉(zhuǎn)換之后使用左值可能造成運行時錯誤。因此,調(diào)用move就意味著承諾:除了對原左值變量賦值或銷毀它外,我們將不再使用它。不過更多的時候,我們需要轉(zhuǎn)換成右值引用的還是一個確實生命周期即將結(jié)束的對象。
移動構(gòu)造函數(shù)和移動賦值運算符
為了讓自定義類型也支持移動操作,需要為其定義移動構(gòu)造函數(shù)和移動賦值運算符。這兩個成員類似對應(yīng)的拷貝操作,但它們從給定對象竊取資源而不是拷貝資源。類似于拷貝構(gòu)造函數(shù),移動構(gòu)造函數(shù)的第一個參數(shù)是該類類型的一個右值引用,任何額外的參數(shù)都必須有默認(rèn)實參。除了完成資源移動外,移動構(gòu)造函數(shù)還必須確保移后源對象處于有效的、可析構(gòu)的狀態(tài)。
#include <iostream> #include <algorithm> class MemoryBlock { public: // 構(gòu)造函數(shù) explicit MemoryBlock(size_t length) : _length(length) , _data(new int[length]) {} // 析構(gòu)函數(shù) ~MemoryBlock() { if (_data != nullptr) delete[] _data; } // 拷貝賦值運算符 MemoryBlock& operator=(const MemoryBlock& other) { if (this != &other) { delete[] _data; _length = other._length; _data = new int[_length]; std::copy(other._data, other._data + _length, _data); } return *this; } // 拷貝構(gòu)造函數(shù) MemoryBlock(const MemoryBlock& other) : _length(0) , _data(nullptr) { *this = other; } // 移動賦值運算符,通知標(biāo)準(zhǔn)庫該構(gòu)造函數(shù)不拋出任何異常(如果拋出異常會怎么樣?) MemoryBlock& operator=(MemoryBlock&& other) noexcept { if (this != &other) { delete[] _data; // 移動資源 _data = other._data; _length = other._length; // 使移后源對象處于可銷毀狀態(tài) other._data = nullptr; other._length = 0; } return *this; } // 移動構(gòu)造函數(shù) MemoryBlock(MemoryBlock&& other) noexcept _data(nullptr) , _length(0) { *this = std::move(other); } size_t Length() const { return _length; } private: size_t _length; // The length of the resource. int* _data; // The resource. };
只有當(dāng)一個類沒有定義任何自己版本的拷貝控制成員,且類的每個非static數(shù)據(jù)成員都可移動時,編譯器才會為它合成移動構(gòu)造函數(shù)會移動賦值運算符。編譯器可以移動內(nèi)置類型;如果一個類類型有對應(yīng)的移動操作,編譯器也能移動這個類型的成員。此外,定義了一個移動構(gòu)造函數(shù)或移動賦值運算符的類必須也定義自己的拷貝操作;否則,這些成員默認(rèn)地定義為刪除的。而移動操作則不同,它永遠(yuǎn)不會隱式定義為刪除的。但如果我們顯式地要求編譯器生成=defualt的移動操作,且編譯器不能移動所有成員,則編譯器會將移動操作定義為刪除的函數(shù)。
如果一個類既有移動構(gòu)造函數(shù)又有拷貝構(gòu)造函數(shù),編譯會使用普通的函數(shù)匹配規(guī)則來確定使用哪個構(gòu)造函數(shù)。但如果只定義了拷貝操作而未定義移動操作,編譯器不會合成移動構(gòu)造函數(shù),此時即使調(diào)用move來移動它們,也是調(diào)用的拷貝操作。
class Foo{ public: Foo() = default; Foo(const Foo&); // 為定義移動構(gòu)造函數(shù) }; Foo x; Foo y(x); //調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù) Foo z(std::move(x)); //調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù),因為未定義移動構(gòu)造函數(shù)
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