从右值到move

一、为什么需要移动操作？

move（移动）语义是C++11标准新增的特性，其出现的背景主要有亮点原因：

• 在重新分配内存的过程中，从旧内存将元素拷贝到新内存是不必要的，更好的方式是移动元素来避免拷贝。
• IO类或unique_ptr这样的类，包含不能被共享的资源。

二、标准库对移动的支持

1. 左值与右值的概念

C++11标准引入了右值引用的概念来支持移动操作。所谓右值引用，就是必须绑定到右值的引用。那么问题来了，右值是什么？
根据《C++ Primer 5th》，不管是左值还是右值，都是C++表达式的属性。可以简单地理解：当一个对象被用作右值的时候，我们使用的对象的值（内容），而当一个对象被用作左值时，我们使用的是它的名字（内存）。左值与右值不能混用：可以用左值代替右值，但右值无法代替左值。注意，这里并不是说右值无法出现在等号的左边。
左值引用的概念我们���经熟悉，右值引用从字面上理解无非就是对右值的引用而已。

int i = 42;
int &r = i; // 正确，r为左值引用
int &&rr = i; // 错误，不能将右值引用绑定到左值
int& r2 = i * 42; // 错误：i * 
const int &r3 = i * 42; // 正确（例外）：将const左值引用绑定到右值是合法的
int &&rr2 = i * 42; // 正确，右值引用rr2绑定到右值

2. 标准库move函数

C++11提供了新的标准库函数move来获得绑定到左值上的右值。例如：

int &&rr3 = std::move(rr1); // ok

对rr1使用move操作意味着我们将其从左值转换成一个右值rr3，并且rr1这个引用在其被重新赋值前，我们不会再使用它（除了销毁它之外）。这么做主要是为了支持以下场景：当我们认为对象A不再需要了，想将其内部的资源转移到对象B，我们就将A的资源窃取过来（转为右值引用），直接为B所用。这里B一般需要实现一个以右值为参数的方法来接收A的资源。以标准库vector移动构造函数举个例子：

template <class T>
vector<T>& vector<T>::operator=(vector&& rhs) noexcept {
     destroy_and_recover(begin_, end_, cap_ - begin_);
     begin_ = rhs.begin_;
     end_ = rhs.end_;
     cap_ = rhs.cap_;
     // 设为nullptr可以使rhs的析构不影响this
     rhs.begin_ = nullptr;
     rhs.end_ = nullptr;
     rhs.cap_ = nullptr;
     return *this;
}

可以看到，如果我们决定不再使用rhs，可以以右值的形式传给新vector的移动构造函数，真正的构造过程只需要拷贝三个迭代器begin_、end_、cap_到新的vector，而它们之间的其他迭代器、堆上的数据则不需要再进行任何移动、拷贝。
如果我们以左值为参数，则使用的是拷贝构造函数。大致实现如下：

vector(const vector& rhs) {
     const size_type len = mystl::distance(first, last);
     const size_type init_size = mystl::max(len, static_cast<size_type>(16));
     // 分配空间
     init_space(len, init_size);
     // 拷贝，原地构造
     mystl::uninitialized_copy(first, last, begin_);
}

可以看到，这里先为新的vector初始化了空间，然后通过uninitialized_copy对空间内的元素执行了原地拷贝构造（placement new），显然这种方法的效率低于基于右值的移动构造。

3. move实现

标准库对move的实现如下：

template<typename T>
constexpr typename std::remove_reference<_Tp>::type&&
move(T&& t) noexcept
{return static_cast<typename std::remove_reference<T>::type&&>(t); }

template<typename _Tp>
struct remove_reference
{ typedef _Tp   type; };

template<typename _Tp>
struct remove_reference<_Tp&>
{ typedef _Tp   type; };

template<typename _Tp>
struct remove_reference<_Tp&&>
{ typedef _Tp   type; };

这是一个简单的模板方法，入参是个右值引用T&&，但是我们也可以将一个左值传给move，通过引用折叠(C++ Primer 5th 609)也可以匹配。首先考虑传递给move右值的情况：

string s1("hi"), s2;
s2 = std::move(string("bye!"));

在s2 = std::move(string("bye!"))中，

• 推断出T的类型为string。
• 匹配到struct remove_reference，其中定义的type为string。
• move的返回类型是T&&，，即string&&。
  这样，我们就由std::move得到了一个右值引用string&&。
  再考虑传给move左值的情况：

s2 = std::move(s1); // 赋值后s1的值不确定

• 推断出T的类型为string&（因为此时T&&就通过引用折叠成为了string&）。
• 因此，remove_reference用string&进行实例化，其type为string。
• t为string&类型，static_cast将其转为string&&（这是允许的，通常情况下static_cast只能用于合法的类型转换，此处特例）。
• move的返回类型是T&&，即string&&。