C++11新特性：右值引用与move语义

10/11 2015

C++11的右值引用是一个颇为重要的新特性，解决了C++中一个广为诟病的性能问题。右值引用特性允许我们对右值进行修改。借此可以实现move语义：右值不需要被复制直接传递给构造函数，操作结束后空的右值析构也不会销毁内存。

C++03及之前的标准中，右值是不允许被改变的，实践中也通常使用const T&的方式传递右值。然而这是效率低下的做法，例如：

Person get(){
    Person p;
    return p;
}
Person p = get();

上述获取右值并初始化p的过程包含了Person的3个构造过程和2个析构过程。使用右值引用的特性我们可以避免其中不必要的内存拷贝，从右值中直接拿数据过来初始化或修改左值。一个move构造函数是这样声明的：

class Person{
public:
    Person(Person&& rhs){...}
    ...
};

左值和右值

C++ 表达式的值有三种类别：左值、右值和临终值。其中左值是指在表达式的外部保留的对象，可以将左值视为有名称的对象，所有的变量都是左值。右值是一个不在使用它的表达式的外部保留的临时值，比如函数的返回值、字面常量。 临终值是生命周期已经结束，但内存仍未回收的值，比如函数的返回值可以声明为int&&。若要更好地了解左值和右值之间的区别，看下面的示例：

int a = 3;              // a 是变量，所以它是一个左值
                        // 3 是字面常量，所以它是一个右值
int b = a;              // b 是变量，也是一个左值。a 是有名称的，也是一个左值
b = (a + 1);            // (a + 1) 是一个右值，它是一个背后的没有名称的值
b = getValue();         // getValue() 的返回值是一个右值，他没有名称

可以通过表达式的值是否可以取地址来判断左值还是右值。左值都是可以取地址的。

右值的特点在于它不被后续计算所需要，因为它连个名字都没有，程序中无法再次访问一个右值。

右值的重复拷贝

右值虽然是不被后续计算所需要的，但它仍然需要构造和析构。这在C++中造成了不少的代价，下面是一个中规中矩的Person类：

class Person{
    char* name;
public:
    Person(const char* p){
        size_t n = strlen(p) + 1;
        name = new char[n];
        memcpy(name, p, n);
    }
    Person(const Person& p){
        size_t n = strlen(p.name) + 1;
        name = new char[n];
        memcpy(name, p.name, n);
    }
    ~Person(){ delete[] name; }
};

其实应该用智能指针来管理动态内存，但这里为了简明起见直接用C风格的指针。

当我们拷贝Person对象时，会有额外的不需要的内存分配过程，例如：

Person getAlice(){
    Person p("alice");      // 对象创建。调用构造函数，一次 new 操作
    return p;               // 返回值创建。调用拷贝构造函数，一次 new 操作
                            // p 析构。一次 delete 操作
}
int main(){
    Person a = getAlice();  // 对象创建。调用拷贝构造函数，一次 new 操作
                            // 右值析构。一次 delete 操作
    return 0;
}                           // a 析构。一次 delete 操作

看到没？三次构造函数三次析构函数。返回值优化和move语义便是用来避免这些不必要的构造过程和动态内存操作的。

返回值优化

事实上编译器会对上述代码进行返回值优化，其实这里是命名返回值优化（NRVO），可以减少两次拷贝构造。上述代码其实只需要一次构造和一次析构。为了让代码更加清晰，我们来看去掉动态内存相关代码的Person类：

struct Person{
    Person(const char* p){
        cout<<"constructor"<<endl;
    }
    Person(const Person& p){
        cout<<"copy constructor"<<endl;
    }
    const Person& operator=(const Person& p){
        cout<<"operator="<<endl;
        return *this;
    }
    ~Person(){
        cout<<"destructor"<<endl;
    }
};

Person getAlice(){
    Person p("alice"); return p;
}

int main(){
    cout<<"______________________"<<endl;
    Person a = getAlice();
    cout<<"______________________"<<endl;
    a = getAlice();
    cout<<"______________________"<<endl;
}

程序输出是：

______________________
constructor             // 1) getAlice 里的 p 被构造
______________________
constructor             // 2) getAlice 里的 p 被构造
operator=               // 3) 右值赋值给左值
destructor              // 4) 右值析构
______________________
destructor              // 5) a 析构

可见上述代码经过RVO之后，返回值没有被拷贝：

对于赋初值运算，甚至连a的拷贝构造函数都没有执行，直接使用了getAlice里的对象。
对于赋值运算符，虽然没有拷贝返回值，但operator=还是执行了的。

move语义

对于上述输出的 3) ，右值赋值给左值调用了赋值运算符operator=。它的完整实现可能是这样的：

const Person& Person::operator=(const Person& rhs){
    delete[] name;
    size_t n = strlen(rhs.name) + 1;
    name = new char[n];
    memcpy(name, rhs.name, n);
    return *this;
}

其实上述实现是错误的，既没有解决自赋值问题，也没有保证异常安全。关于自赋值问题可参见：Effective C++: Item 11，关于异常安全可参见：Effective C++: Item 25。

但C++11提供了右值引用，rhs不一定要声明为const。它是可以变的，这样我们就可以把右值的数据name直接拿过来而不需要重新申请内存。右值引用的语法是&&：

const Person& Person::operator=(Person&& rhs){
    cout<<"move operator="<<endl;
    delete[] name;
    name = rhs.name;
    rhs.name = nullptr;
    return *this;
}

注意这里的rhs.name一定要设为空指针，这样编译器就不会去delete它了。同样地，我们把拷贝构造函数也声明为move拷贝构造函数：

Person(Person&& p){
    cout<<"move copy constructor"<<endl;
    name = p.name;
    p.name = nullptr;
}

然后在来重新执行main函数，可以得到输出：

______________________
constructor             // 1) getAlice 里的 p 被构造
______________________
constructor             // 2) getAlice 里的 p 被构造
move operator=          // 3) 右值赋值给左值，调用move赋值运算符！
destructor              // 4) 右值析构
______________________
destructor              // 5) a 析构

因为拷贝构造函数已经被返回值优化掉了，所以move拷贝构造函数也不会对得到调用。

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