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知乎|作者：Tinro

右值引用是C++11中最重要的新特性之一，它解決了C++中大量的歷史遺留問題，使C++標(biāo)準(zhǔn)庫的實(shí)現(xiàn)在多種場景下消除了不必要的額外開銷（如std::vector, std::string)，也使得另外一些標(biāo)準(zhǔn)庫（如std::unique_ptr, std::function）成為可能。即使你并不直接使用右值引用，也可以通過標(biāo)準(zhǔn)庫，間接從這一新特性中受益。為了更好的理解標(biāo)準(zhǔn)庫結(jié)合右值引用帶來的優(yōu)化，我們有必要了解一下右值引用的重大意義。

右值引用的意義通常解釋為兩大作用：移動(dòng)語義和完美轉(zhuǎn)發(fā)。本文主要討論移動(dòng)語義。

------移動(dòng)語義------

移動(dòng)語義，簡單來說解決的是各種情形下對(duì)象的資源所有權(quán)轉(zhuǎn)移的問題。而在C++11之前，移動(dòng)語義的缺失是C++飽受詬病的問題之一。

舉個(gè)栗子。

問題一：如何將大象放入冰箱？
答案是眾所周知的。首先你需要有一臺(tái)特殊的冰箱，這臺(tái)冰箱是為了裝下大象而制造的。你打開冰箱門，將大象放入冰箱，然后關(guān)上冰箱門。

問題二：如何將大象從一臺(tái)冰箱轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)冰箱？
普通解答：打開冰箱門，取出大象，關(guān)上冰箱門，打開另一臺(tái)冰箱門，放進(jìn)大象，關(guān)上冰箱門。

2B解答：在第二個(gè)冰箱中啟動(dòng)量子復(fù)制系統(tǒng)，克隆一只完全相同的大象，然后啟動(dòng)高能激光將第一個(gè)冰箱內(nèi)的大象氣化消失。

等等，這個(gè)2B解答聽起來很耳熟，這不就是C++中要移動(dòng)一個(gè)對(duì)象時(shí)所做的事情嗎？

“移動(dòng)”，這是一個(gè)三歲小孩都明白的概念。將大象（資源）從一臺(tái)冰箱（對(duì)象）移動(dòng)到另一臺(tái)冰箱，這個(gè)行為是如此自然，沒有任何人會(huì)采用先復(fù)制大象，再銷毀大象這樣匪夷所思的方法。C++通過拷貝構(gòu)造函數(shù)和拷貝賦值操作符為類設(shè)計(jì)了拷貝/復(fù)制的概念，但為了實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的移動(dòng)操作，調(diào)用者必須使用先復(fù)制、再析構(gòu)的方式。否則，就需要自己實(shí)現(xiàn)移動(dòng)資源的接口。

為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)語義，首先需要解決的問題是，如何標(biāo)識(shí)對(duì)象的資源是可以被移動(dòng)的呢？這種機(jī)制必須以一種最低開銷的方式實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)所有的類都有效。C++的設(shè)計(jì)者們注意到，大多數(shù)情況下，右值所包含的對(duì)象都是可以安全的被移動(dòng)的。

右值（相對(duì)應(yīng)的還有左值）是從C語言設(shè)計(jì)時(shí)就有的概念，但因?yàn)槠淙绱嘶A(chǔ)，也是一個(gè)最常被忽略的概念。不嚴(yán)格的來說，左值對(duì)應(yīng)變量的存儲(chǔ)位置，而右值對(duì)應(yīng)變量的值本身。C++中右值可以被賦值給左值或者綁定到引用。類的右值是一個(gè)臨時(shí)對(duì)象，如果沒有被綁定到引用，在表達(dá)式結(jié)束時(shí)就會(huì)被廢棄。于是我們可以在右值被廢棄之前，移走它的資源進(jìn)行廢物利用，從而避免無意義的復(fù)制。被移走資源的右值在廢棄時(shí)已經(jīng)成為空殼，析構(gòu)的開銷也會(huì)降低。

右值中的數(shù)據(jù)可以被安全移走這一特性使得右值被用來表達(dá)移動(dòng)語義。以同類型的右值構(gòu)造對(duì)象時(shí)，需要以引用形式傳入?yún)?shù)。右值引用顧名思義專門用來引用右值，左值引用和右值引用可以被分別重載，這樣確保左值和右值分別調(diào)用到拷貝和移動(dòng)的兩種語義實(shí)現(xiàn)。對(duì)于左值，如果我們明確放棄對(duì)其資源的所有權(quán)，則可以通過std::move()來將其轉(zhuǎn)為右值引用。std::move()實(shí)際上是static_cast<T&&>()的簡單封裝。

右值引用至少可以解決以下場景中的移動(dòng)語義缺失問題：

• 按值傳入?yún)?shù)

按值傳參是最符合人類思維的方式。基本的思路是，如果傳入?yún)?shù)是為了將資源交給函數(shù)接受者，就應(yīng)該按值傳參。同時(shí)，按值傳參可以兼容任何的cv-qualified左值、右值，是兼容性最好的方式。

class People {public:  People(string name) // 按值傳入字符串，可接收左值、右值。接收左值時(shí)為復(fù)制，接收右值時(shí)為移動(dòng)  : name_(move(name)) // 顯式移動(dòng)構(gòu)造，將傳入的字符串移入成員變量  {  }  string name_;};
People a("Alice"); // 移動(dòng)構(gòu)造name
string bn = "Bob";People b(bn); // 拷貝構(gòu)造name

構(gòu)造a時(shí)，調(diào)用了一次字符串的構(gòu)造函數(shù)和一次字符串的移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)。如果使用const string& name接收參數(shù)，那么會(huì)有一次構(gòu)造函數(shù)和一次拷貝構(gòu)造，以及一次non-trivial的析構(gòu)。盡管看起來很蛋疼，盡管編譯器還有優(yōu)化，但從語義來說按值傳入?yún)?shù)是最優(yōu)的方式。

如果你要在構(gòu)造函數(shù)中接收std::shared_ptr<X>并且存入類的成員（這是非常常見的），那么按值傳入更是不二選擇。拷貝std::shared_ptr<X>需要線程同步，相比之下移動(dòng)std::shared_ptr是非常輕松愉快的。

• 按值返回
  

和接收輸入?yún)?shù)一樣，返回值按值返回也是最符合人類思維的方式。曾經(jīng)有無數(shù)函數(shù)為了返回容器而不得不寫成這樣

void str_split(const string& s, vector<string>* vec); // 一個(gè)按值語義定義的字符串拆分函數(shù)。這里不考慮分隔符，假定分隔符是固定的。

這樣要求vec在外部被事先構(gòu)造，此時(shí)尚無從得知vec的大小。即使函數(shù)內(nèi)部有辦法預(yù)測vec的大小，因?yàn)楹瘮?shù)并不負(fù)責(zé)構(gòu)造vec，很可能仍需要resize。

對(duì)這樣的函數(shù)嵌套調(diào)用更是痛苦的事情，誰用誰知道啊。

有了移動(dòng)語義，就可以寫成這樣

vector<string> str_split(const string& s) {  vector<string> v;  // ...  return v; // v是左值，但優(yōu)先移動(dòng)，不支持移動(dòng)時(shí)仍可復(fù)制。}

如果函數(shù)按值返回，return語句又直接返回了一個(gè)棧上的左值對(duì)象（輸入?yún)?shù)除外）時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)要求優(yōu)先調(diào)用移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)，如果不符再調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)。盡管v是左值，仍然會(huì)優(yōu)先采用移動(dòng)語義，返回vector<string>從此變得云淡風(fēng)輕。此外，無論移動(dòng)或是拷貝，可能的情況下仍然適用編譯器優(yōu)化，但語義不受影響。

對(duì)于std::unique_ptr來說，這簡直就是福音。

unique_ptr<SomeObj> create_obj(/*...*/) {  unique_ptr<SomeObj> ptr(new SomeObj(/*...*/));  ptr->foo(); // 一些可能的初始化  return ptr;}

當(dāng)然還有更簡單的形式

unique_ptr<SomeObj> create_obj(/*...*/) {  return unique_ptr<SomeObj>(new SomeObj(/*...*/));}

在工廠類中，這樣的語義是非常常見的。返回unique_ptr能夠明確對(duì)所構(gòu)造對(duì)象的所有權(quán)轉(zhuǎn)移，特別的，這樣的工廠類返回值可以被忽略而不會(huì)造成內(nèi)存泄露。上面兩種形式分別返回棧上的左值和右值，但都適用移動(dòng)語義（unique_ptr不支持拷貝）。

• 接收右值表達(dá)式

沒有移動(dòng)語義時(shí)，以表達(dá)式的值（例為函數(shù)調(diào)用）初始化對(duì)象或者給對(duì)象賦值是這樣的：

vector<string> str_split(const string& s);
vector<string> v = str_split("1,2,3"); // 返回的vector用以拷貝構(gòu)造對(duì)象v。為v申請(qǐng)堆內(nèi)存，復(fù)制數(shù)據(jù)，然后析構(gòu)臨時(shí)對(duì)象（釋放堆內(nèi)存）。vector<string> v2;v2 = str_split("1,2,3"); // 返回的vector被復(fù)制給對(duì)象v（拷貝賦值操作符）。需要先清理v2中原有數(shù)據(jù)，將臨時(shí)對(duì)象中的數(shù)據(jù)復(fù)制給v2，然后析構(gòu)臨時(shí)對(duì)象。

注：v的拷貝構(gòu)造調(diào)用有可能被優(yōu)化掉，盡管如此在語義上仍然是有一次拷貝操作。

同樣的代碼，在支持移動(dòng)語義的世界里就變得更美好了。

vector<string> str_split(const string& s);
vector<string> v = str_split("1,2,3"); // 返回的vector用以移動(dòng)構(gòu)造對(duì)象v。v直接取走臨時(shí)對(duì)象的堆上內(nèi)存，無需新申請(qǐng)。之后臨時(shí)對(duì)象成為空殼，不再擁有任何資源，析構(gòu)時(shí)也無需釋放堆內(nèi)存。vector<string> v2;v2 = str_split("1,2,3"); // 返回的vector被移動(dòng)給對(duì)象v（移動(dòng)賦值操作符）。先釋放v2原有數(shù)據(jù)，然后直接從返回值中取走數(shù)據(jù)，然后返回值被析構(gòu)。

注：v的移動(dòng)構(gòu)造調(diào)用有可能被優(yōu)化掉，盡管如此在語義上仍然是有一次移動(dòng)操作。

不用多說也知道上面的形式是多么常用和自然。而且這里完全沒有任何對(duì)右值引用的顯式使用，性能提升卻默默的實(shí)現(xiàn)了。

• 對(duì)象存入容器

這個(gè)問題和前面的構(gòu)造函數(shù)傳參是類似的。不同的是這里是按兩種引用分別傳參。參見std::vector的push_back函數(shù)。

void push_back( const T& value ); // (1)void push_back( T&& value ); // (2)

不用多說自然是左值調(diào)用1右值調(diào)用2。如果你要往容器內(nèi)放入超大對(duì)象，那么版本2自然是不2選擇。

vector<vector<string>> vv;
vector<string> v = {"123", "456"};v.push_back("789"); // 臨時(shí)構(gòu)造的string類型右值被移動(dòng)進(jìn)容器vvv.push_back(move(v)); // 顯式將v移動(dòng)進(jìn)vv

困擾多年的難言之隱是不是一洗了之了？

• std::vector的增長

又一個(gè)隱蔽的優(yōu)化。當(dāng)vector的存儲(chǔ)容量需要增長時(shí)，通常會(huì)重新申請(qǐng)一塊內(nèi)存，并把原來的內(nèi)容一個(gè)個(gè)復(fù)制過去并刪除。對(duì)，復(fù)制并刪除，改用移動(dòng)就夠了。

對(duì)于像vector<string>這樣的容器，如果頻繁插入造成存儲(chǔ)容量不可避免的增長時(shí)，移動(dòng)語義可以帶來悄無聲息而且美好的優(yōu)化。

• std::unique_ptr放入容器

曾經(jīng)，由于vector增長時(shí)會(huì)復(fù)制對(duì)象，像std::unique_ptr這樣不可復(fù)制的對(duì)象是無法放入容器的。但實(shí)際上vector并不復(fù)制對(duì)象，而只是“移動(dòng)”對(duì)象。所以隨著移動(dòng)語義的引入，std::unique_ptr放入std::vector成為理所當(dāng)然的事情。

容器中存儲(chǔ)std::unique_ptr有太多好處。想必每個(gè)人都寫過這樣的代碼：

MyObj::MyObj() {  for (...) {    vec.push_back(new T());  }  // ...}
MyObj::~MyObj() {  for (vector<T*>::iterator iter = vec.begin(); iter != vec.end(); ++iter) {    if (*iter) delete *iter;  }  // ...}

繁瑣暫且不說，異常安全也是大問題。使用vector<unique_ptr<T>>，完全無需顯式析構(gòu)，unqiue_ptr自會(huì)打理一切。完全不用寫析構(gòu)函數(shù)的感覺，你造嗎？

unique_ptr是非常輕量的封裝，存儲(chǔ)空間等價(jià)于裸指針，但安全性強(qiáng)了一個(gè)世紀(jì)。實(shí)際中需要共享所有權(quán)的對(duì)象（指針）是比較少的，但需要轉(zhuǎn)移所有權(quán)是非常常見的情況。auto_ptr的失敗就在于其轉(zhuǎn)移所有權(quán)的繁瑣操作。unique_ptr配合移動(dòng)語義即可輕松解決所有權(quán)傳遞的問題。

注：如果真的需要共享所有權(quán)，那么基于引用計(jì)數(shù)的shared_ptr是一個(gè)好的選擇。shared_ptr同樣可以移動(dòng)。由于不需要線程同步，移動(dòng)shared_ptr比復(fù)制更輕量。

• std::thread的傳遞

thread也是一種典型的不可復(fù)制的資源，但可以通過移動(dòng)來傳遞所有權(quán)。同樣std::future std::promise std::packaged_task等等這一票多線程類都是不可復(fù)制的，也都可以用移動(dòng)的方式傳遞。

------完美轉(zhuǎn)發(fā)------

除了移動(dòng)語義，右值引用還解決了C++03中引用語法無法轉(zhuǎn)發(fā)右值的問題，實(shí)現(xiàn)了完美轉(zhuǎn)發(fā)，才使得std::function能有一個(gè)優(yōu)雅的實(shí)現(xiàn)。這部分不再展開了。

------總結(jié)------

移動(dòng)語義絕不是語法糖，而是帶來了C++的深刻革新。移動(dòng)語義不僅僅是針對(duì)庫作者的，任何一個(gè)程序員都有必要去了解它。盡管你可能不會(huì)去主動(dòng)為自己的類實(shí)現(xiàn)移動(dòng)語義，但卻時(shí)時(shí)刻刻都在享受移動(dòng)語義帶來的受益。因此這絕不意味著這是一個(gè)可有可無的東西。

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