C++ 11 中的右值引用

右值引用的功能

首先，我并不介紹什么是右值引用，而是以一個例子里來介紹一下右值引用的功能：

????#include?<iostream>
????#include?<vector>
????using?namespace?std;

????class?obj
????{
????public?:
????????obj() { cout <<?">> create obj "?<< endl; }
????????obj(const?obj& other) { cout <<?">> copy create obj "?<< endl; }
????};

????vector<obj> foo()
????{
????????vector<obj> c;
????????c.push_back(obj());

????????cout <<?"---- exit foo ----"?<< endl;
????????return?c;
????}

????int?main()
????{
????????vector<obj> k;
????????k = foo();
????}

首先我們編譯一下這個函數，運行結果如下：

????tianfang > g++ main.cpp
????tianfang > a.out
????>> create obj?
????>> copy create obj?
????---- exit foo ----
????>> copy create obj?
????tianfang >

可以看到，對obj對象執行了兩次構造。vector是一個常用的容器了，我們可以很容易的分析這這兩次拷貝構造的時機：

foo函數第二行，調用push_back的時候，會在vector里建立一個obj的副本

main函數第二行，執行復制函數的時候，會把foo()返回的對象全部復制過來，再次執行一次拷貝構造

由于對象的拷貝構造的開銷是非常大的，因此我們想就可能避免他們。其中，第一次拷貝構造是vector的特性所決定的，不可避免。但第二次拷貝構造，在C++ 11中就是可以避免的了。

????tianfang > g++?-std=c++11?main.cpp
????tianfang > a.out
????>> create obj?
????>> copy create obj?
????---- exit foo ----
????tianfang >

可以看到，我們除了加上了一個-std=c++11選項外，什么都沒干，但現在就把第二次的拷貝構造給去掉了。它是如何實現這一過程的呢？

在老版本中，當我們執行第二行的賦值操作的時候，執行過程如下：

foo()函數返回一個臨時對象（這里用~tmp來標識它）

執行vector的 '=' 函數，將對象k中的現有成員刪除，將~tmp的成員復制到k中來

刪除臨時對象~tmp

在C++11的版本中，執行過程如下：

foo()函數返回一個臨時對象（這里用~tmp來標識它）

執行vector的 '=' 函數，將對象k中的成員~tmp的成員互換，此時k中的成員就被替換成了~tmp中的成員。

刪除臨時對象~tmp（此時就刪除了以前的k中的成員）

關鍵的過程就是第2步，它不是復制而是交換，從而避免的成員的拷貝，但效果卻是一樣的。不用修改代碼，性能卻得到了提升，對于程序員來說就是一份免費的午餐。

但是，這份免費的午餐也不是無條件就可以獲取的，帶上-std=c++11編譯時，如果使用STL代碼可以享用這份午餐，但如果使用我們以前的老代碼發現還是和以前的功能是一樣的，那么，如何讓我們以前的代碼也能得到這個效率的提升呢？

? ?

通過交換減少數據的拷貝

為了演示如何在我們的代碼中也獲取這個性能提升，首先我先寫了一個山寨的vector：

????#include?<iostream>
????#include?<vector>
????using?namespace?std;

????class?obj
????{
????public?:
????????obj() { cout <<?">> create obj "?<< endl; }
????????obj(const?obj& other) { cout <<?">> copy create obj "?<< endl; }
????};

????template?<class?T>
????class?container
????{
????public:
????????T* value;

????public:
????????container() : value(NULL) {};
????????~container() {?delete?value; }?

????????container(const?container& other)
????????{
????????????value =?new?T(*other.value);
????????}

????????const?container&?operator?= (const?container& other)
????????{
????????????delete?value;
????????????value =?new?T(*other.value);
????????????return?*this;
????????}

????????void?push_back(const?T& item)
????????{
????????????delete?value;
????????????value =?new?T(item);
????????}
????};

????container<obj> foo()
????{
????????container<obj> c;
????????c.push_back(obj());

????????cout <<?"---- exit foo ----"?<< endl;
????????return?c;
????}

????int?main()
????{
????????container<obj> k ;
????????k = foo();????
????}

這個vector只能容納一個元素，但并不妨礙我們的演示，其功能和前面的例子是一樣的，運行這段代碼，結果如下：

????tianfang > make
????g++?-std=c++11?main.cpp
????tianfang > a.out
????>> create obj?
????>> copy create obj?
????---- exit foo ----
????>> copy create obj?
????tianfang >

如前所述，仍然有兩次拷貝構造。其實前面已經說過交換實現減少拷貝構造的原理，那么，我們可以通過修改 '=' 函數來手動實現這一過程。

????const?container& operator = (container&?other)
????{
????????T* tmp = value;
????????value =?other.value;
????????other.value = tmp;
????????return?*this;
????}

在VC中運行這段代碼，發現運行結果和預期一致，

????>> create obj?
????>> copy create obj?
????---- exit foo ----

但是，gcc中卻無法通過編譯，原因很簡單：gcc期望的賦值函數的參數是const型的，而這里為了交換成員，而不能使用const型。

那么，雖然gcc中不能生效，是否可以說在vc中就可以以這種形式獲取性能提升呢？答案是否定的。雖然在這段代碼中這么寫沒有問題，但賦值函數本身是期望復制功能的，而不是交換。例如，修改后下面的運行結果就不對了。

????int?main()
????{
????????container<obj> k, k2;
????????k = foo();????

????????//預期結果是復制，但執行了交換
????????k2 = k;
????}

gcc的告警是有道理的：如果 '=' 函數實現的是復制功能，雖然效率低點，但保證了功能正確，但如果實現的是交換的功能，則不能保證功能一定正確。只有當 '=' 函數右邊的對象為一個臨時變量的時候，由于臨時變量會馬上被刪除掉，此時的交換和復制的效果是一樣的。其實VC也應該把這個告警加上才合適。

PS：對臨時變量定義和來源不清楚的朋友可以參考一下這篇文章。

現在的問題是：我們無法在賦值函數里區分傳入的是一個臨時對象還是非臨時對象，因此只能執行復制操作。為了解決這一問題，c++中引入了一個新的賦值函數的重載形式：

????container& operator = (container&&?other)

這個賦值函數通常稱為移動賦值函數，和老版本的相比，它有兩點區別：

入參不是const型，因此它是可以更改入參的值的，從而實現交換操作

入參前面有兩個&號，這個是C++11引入的新語法，稱為右值引用，它的使用方式和普通引用是一樣的，唯一的區別是可以指向臨時變量。

現在，我們就有兩個版本的賦值函數了，C++11在語法級別也做了適應：

• 如果入參是臨時變量，則執行移動賦值函數，如果沒有定義移動賦值函數，則執行復制賦值函數（以保證老版本代碼能編譯通過）
• 如果入參不是臨時變量，則執行普通的復制賦值函數

現在，我們實現一下山寨版的移動賦值函數：

????container& operator = (container&&?other)
????{
????????delete?value;
????????value =?other.value;
????????other.value =?NULL;
????????return?*this;

????}

運行后結果就和我們期望的那樣，避免了成員的第二次的拷貝構造。

和移動賦值函數相應的，也有一個一個移動構造函數，也最好實現以下：

????container (container&&?other)
????{
????????value =?other.value;
????????other.value =?NULL;
????}

我們也可以實現自己的右值引用版的重載函數，這里就不多介紹了。

注意：本文所示的代碼只是為了演示和實現右值引用，力求簡潔，并沒有寫得很完善（一個典型的缺失就是在賦值函數中沒有判斷入參是否是本身），請不要將其應用于項目中。

完善的版本請看MSDN文章：如何編寫一個移動構造函數，其相應的對右值引用的介紹文章Rvalue引用聲明:&&也非常值得一讀。

?

通過std::move函數顯式使用交換

首先看一下這段代碼：

????class?bigobj
????{
????public?:
????????bigobj() { cout <<?">> create obj "?<< endl; }
????????bigobj(const?bigobj&?other) { cout <<?">> copy create obj "?<< endl; }
????????bigobj(bigobj&&?other) { cout <<?">> move create obj "?<< endl; }
????};

????int?main()
????{
????????list<bigobj> list;
????????for(int?i = 0; i < 3; i++)
????????{
????????????bigobj?obj;
????????????list.push_back(obj);
????????}
????}

運行的時候就會發現：雖然我們定義了移動構造函數，但是它仍然會執行拷貝構造函數。這是因為編譯器并不認為obj是臨時變量。關于什么變量才是臨時變量，前文已經給了個鏈接來說明它，簡單的說，我們能夠看到的命名變量都不是臨時變量。

雖然obj對象不是語言級別的臨時變量，但是從功能上來看，它就是一個臨時變量，是可以使用移動構造函數來消除拷貝帶來的性能損失的。為了解決這一問題，C++提供了一個move函數來把obj變量強制轉換為右值引用，這樣就可以使用移動構造函數了。

????for(int?i = 0; i < 3; i++)
????{
????????bigobj?obj;
????????list.push_back(std::move(obj));
????}

不過，需要注意的是，和系統識別的臨時變量而自動使用右值引用不同，這種強制轉換是有一定的風險的，由于在push_back后執行了交換操作，如果再次使用它會出現非預期的結果，只有能確定該變量不會再次被使用才能執行這種轉換。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的C++ 11 中的右值引用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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