[C++]右值引用与移动语义

[C++]右值引用与移动语义

概述

C++11引入了库函数std::move，它可以避免不必要的复制操作，实现高效的资源转移；一般在使用在临时变量或STL容器上；其核心是利用以右值引用为参数的移动构造函数中实现的移动语义。

右值引用

右值是对应于左值的概念，下面是《C++ Primer Plus》对左值的定义：

左值是什么呢？左值参数是可被引用的数据对象,例如,变量、数组元素、结构成员、引用和解除引用的指针都是左值。非左值包括字面常量(用引号括起的字符串除外,它们由其地址表示)和包含多项的表达式。
在C语言中,左值最初指的是可出现在赋值语句左边的实体,但这是引入关键字 const 之前的情况。现在,常规变量和 const 变量都可视为左值，因为可通过地址访问它们。但常规变量属于可修改的左值，而 const 变量属于不可修改的左值。

所以右值就是可出现在赋值表达式右边，但不能对其应用地址运算符的值；包括字面常量（char*字符串除外）、表达式和返回值不是引用的函数。

int x = y = 5;
float && rref1 = 3.14f;
int && rref2 = x+y;
double && rref3 = std::sqrt(8.0)；

将右值关联到右值引用导致该右值被存储到特定的位置，且可以获取该位置的地址。

std::cout << "rref1: " << rref1 << " addr: " << &rref1 << '\n';
// out: rref1: 3.14 addr: 00000017680FFBA4

移动构造函数

引入右值引用的主要目的之一是实现移动语义（move semantics）。
什么是移动语义：C++11之前的复制操作类似于vector<string> vct_copy1(vct)，创建新对象并把数据复制一份，似乎很合理；但是在这种情况下：

vector<string> foo(const vector<string>& v){
	vector<string> temp(v);
	// iterate temp ...
	return temp;
}
vector<string> vct_copy2(foo(vct));
//显然temp复制了vct的数据， 而vct_copy2又复制了temp的数据

是把数据复制一份还是直接将temp的数据的所有权转让给vct_copy呢？答案显然是后者，这种方法被称为移动语义。
如何让编译器知道什么时候需要移动语义呢？这就是右值引用彰显作用的地方：

class A {
public:
	char* data; // data ptr
	A(const char* str){
		data = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(data, str);
	}
	A(const A& other){
		data = new char[strlen(other.data) + 1];
		strcpy(data, other.data);
	}
	A(A && other){
		data = other.data; // 窃取地址 pilfering 而不是深复制
		other.data = nullptr; // 避免析构时double free
	}
	~A(){
		delete[] data;
	}
};

类A除了常规的复制构造函数，还定义了参数为右值引用的移动构造函数。编译器会自动根据实参是否是右值引用来选择要调用的构造函数；另外，也可以对operator=进行移动赋值重载。

STD::MOVE

如果能利用移动构造函数复制对不是右值引用的变量，岂不是大大节约了开销？C++提供了库函数实现强制移动：utility头文件中定义的std::move函数可以将变量强制转换为右值引用，类似于static_cast<T &&>：

B b1(std::move(b));
// 传入b1构造函数的参数为右值引用，若B类定义了移动构造函数就会调用
// 否则会调用复制构造函数，若都没有则不会通过编译

右值引用带来的主要好处并非是能够编写使用右值引用的代码，而是能够使用利用右值引用实现移动语义的库代码。STL类现在都有复制构造函数、移动构造函数、复制赋值运算符和移动赋值运算符。
STL容器使用move的示例：

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<std::string> words;
    std::string s1 = "hello";
    std::string s2 = "world";

    // 使用std::move将字符串移动到vector中
    words.push_back(std::move(s1));
    words.push_back(std::move(s2));

    for (const auto& word : words) {
        std::cout << word << std::endl;
    }

    // 在移动之后，s1和s2的内容可能是未定义的，但它们仍然是合法状态
    std::cout << "s1: " << s1 << std::endl;
    std::cout << "s2: " << s2 << std::endl;

    return 0;
}

输出：

hello
world
s1: 
s2: 

参考：
[^《C++ Primer Plus》]: 第六版，chapter18.2