2.右值引用和移动语义-编程知识

文章目录

右值引用和移动语义
- &&的特性
- 右值引用优化性能，避免深拷贝
- 移动(move )语义
- forward 完美转发
- emplace_back 减少内存拷贝和移动
- unordered container 无序容器
- - map和unordered_map的差别
  - 内部实现机理不同
  - 优缺点以及适用处
- 小结
- - 优缺点以及适用处
- 小结

代码地址：https://github.com/Phoenix8215/CplusplusMagicalCrafts

右值引用和移动语义

作用：C++11中引用了右值引用和移动语义，可以避免无谓的复制，提高了程序性能。

左值是表达式结束后仍然存在的持久对象，右值是指表达式结束时就不存在的临时对象。

区分左值和右值的便捷方法是看能不能对表达式取地址，如果能则为左值，否则为右值；
将亡值是C++11新增的、与右值引用相关的表达式，比如：将要被移动的对象、T&&函数返回的值、std::move返回值和转换成T&&的类型的转换函数返回值。

C++11中的所有的值必将属于左值、将亡值、纯右值三者之一，将亡值和纯右值都属于右值。区分表达式的左右值属性：如果可对表达式用&符取址，则为左值，否则为右值。

左值 lvalue 是有标识符、可以取地址的表达式，最常见的情况有：

变量、函数或数据成员的名字
返回左值引用的表达式，如 ++x、x = 1、cout << ’ ’
字符串字面量如 “hello world”

纯右值 prvalue 是没有标识符、不可以取地址的表达式，一般也称之为“临时对象”。最常见的情况有：

返回非引用类型的表达式，如 x++、x + 1、make_shared(42)
除字符串字面量之外的字面量，如 42、true

&&的特性

右值引用就是对一个右值进行引用的类型。因为右值没有名字，所以我们只能通过引用的方式找到它。无论声明左值引用还是右值引用都必须立即进行初始化，因为引用类型本身并不拥有所把绑定对象的内存，只是该对象的一个别名。

通过右值引用的声明，该右值又“重获新生”，其生命周期其生命周期与右值引用类型变量的生命周期一样，只要该变量还活着，该右值临时量将会一直存活下去。

&& 的总结如下：

左值和右值是独立于它们的类型的，右值引用类型可能是左值也可能是右值。
auto&& 或函数参数类型自动推导的 T&& 是一个未定的引用类型，被称为 universal references，它可能是左值引用也可能是右值引用类型，取决于初始化的值类型。
所有的右值引用叠加到右值引用上仍然是一个右值引用，其他引用折叠都为左值引用。当 T&& 为模板参数时，输入左值，它会变成左值引用，而输入右值时则变为具名的右值引用。
编译器会将已命名的右值引用视为左值，而将未命名的右值引用视为右值。

右值引用优化性能，避免深拷贝

对于含有堆内存的类，我们需要提供深拷贝的拷贝构造函数，如果使用默认构造函数，会导致堆内存的重复删除，比如下面的代码：

//2-1-memory
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{public:A() :m_ptr(new int(0)) {cout << "constructor A" << endl;}~A(){cout << "destructor A, m_ptr:" << m_ptr << endl;delete m_ptr;m_ptr = nullptr;}private:int* m_ptr;
};
// 为了避免返回值优化，此函数故意这样写
A Get(bool flag)
{A a;A b;cout << "ready return" << endl;if (flag)return a;elsereturn b;
}
int main()
{{A a = Get(false); // 运行报错}cout << "main finish" << endl;return 0;
}
/*
constructor A 
constructor A 
ready return 
destructor A, m_ptr:0xf87af8 
destructor A, m_ptr:0xf87ae8 
destructor A, m_ptr:0xf87af8 
main finish 
*/

在上面的代码中，默认构造函数是浅拷贝，main函数的 a 和Get函数的 b 会指向同一个指针 m_ptr，在析构的时候会导致重复删除该指针。正确的做法是提供深拷贝的拷贝构造函数，比如下面的代码（关闭返回值优化的情况下）：

//2-1-memory2
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{public:A() :m_ptr(new int(0)) {cout << "constructor A" << endl;}A(const A& a) :m_ptr(new int(*a.m_ptr)) {cout << "copy constructor A" << endl;}~A(){cout << "destructor A, m_ptr:" << m_ptr << endl;delete m_ptr;m_ptr = nullptr;}private:int* m_ptr;
};
// 为了避免返回值优化，此函数故意这样写
A Get(bool flag)
{A a;A b;cout << "ready return" << endl;if (flag)return a;elsereturn b;
}
int main()
{{A a = Get(false); // 正确运行}cout << "main finish" << endl;return 0;
}
/*
constructor A
constructor A
ready return
copy constructor A
destructor A, m_ptr:0xea7af8
destructor A, m_ptr:0xea7ae8
destructor A, m_ptr:0xea7b08
main finish
*/

这样就可以保证拷贝构造时的安全性，但有时这种拷贝构造却是不必要的，比如上面代码中的拷贝构造就是不必要的。上面代码中的 Get 函数会返回临时变量，然后通过这个临时变量拷贝构造了一个新的对象 b，临时变量在拷贝构造完成之后就销毁了，如果堆内存很大，那么，这个拷贝构造的代价会很大，带来了额外的性能损耗。有没有办法避免临时对象的拷贝构造呢？答案是肯定的。看下面的代码：

//2-1-memory3
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{public:A() :m_ptr(new int(0)) {cout << "constructor A" << endl;}A(const A& a) :m_ptr(new int(*a.m_ptr)) {cout << "copy constructor A" << endl;}A(A&& a) :m_ptr(a.m_ptr) {a.m_ptr = nullptr;cout << "move constructor A" << endl;}~A(){cout << "destructor A, m_ptr:" << m_ptr << endl;if(m_ptr)delete m_ptr;}private:int* m_ptr;
};
// 为了避免返回值优化，此函数故意这样写
A Get(bool flag)
{A a;A b;cout << "ready return" << endl;if (flag)return a;elsereturn b;
}
int main()
{{A a = Get(false); // 正确运行}cout << "main finish" << endl;return 0;
}/*
constructor A
constructor A
ready return
move constructor A
destructor A, m_ptr:0
destructor A, m_ptr:0xfa7ae8
destructor A, m_ptr:0xfa7af8
main finish
*/

上面的代码中没有了拷贝构造，取而代之的是移动构造（ Move Construct）。从移动构造函数的实现中可以看到，它的参数是一个右值引用类型的参数 A&&，这里没有深拷贝，只有浅拷贝，这样就避免了对临时对象的深拷贝，提高了性能。这里的 A&& 用来根据参数是左值还是右值来建立分支，如果是临时值，则会选择移动构造函数。移动构造函数只是将临时对象的资源做了浅拷贝，不需要对其进行深拷贝，从而避免了额外的拷贝，提高性能。这也就是所谓的移动语义（ move 语义），右值引用的一个重要目的是用来支持移动语义的。

移动语义可以将资源（堆、系统对象等）通过浅拷贝方式从一个对象转移到另一个对象，这样能够减少不必要的临时对象的创建、拷贝以及销毁，可以大幅度提高 C++ 应用程序的性能，消除临时对象的维护（创建和销毁）对性能的影响。

以一个简单的 string 类为示例，实现拷贝构造函数和拷贝赋值操作符。

//2-1-mystring
#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <string.h>
using namespace std;
class MyString {private:char* m_data;size_t m_len;void copy_data(const char *s) {m_data = new char[m_len+1];memcpy(m_data, s, m_len);m_data[m_len] = '\0';}public:MyString() {m_data = NULL;m_len = 0;}MyString(const char* p) {m_len = strlen (p);copy_data(p);}MyString(const MyString& str) {m_len = str.m_len;copy_data(str.m_data);std::cout << "Copy Constructor is called! source: " << str.m_data <<std::endl;}MyString& operator=(const MyString& str) {if (this != &str) {m_len = str.m_len;copy_data(str.m_data);}std::cout << "Copy Assignment is called! source: " << str.m_data <<std::endl;return *this;}virtual ~MyString() {if (m_data) free(m_data);}
};
void test() {MyString a;a = MyString("Hello");std::vector<MyString> vec;vec.push_back(MyString("World"));
}
int main()
{test();return 0;
}

实现了调用拷贝构造函数的操作和拷贝赋值操作符的操作。MyString(“Hello”) 和 MyString(“World”) 都是临时对象，也就是右值。虽然它们是临时的，但程序仍然调用了拷贝构造和拷贝赋值，造成了没有意义的资源申请和释放的操作。如果能够直接使用临时对象已经申请的资源，既能节省资源，有能节省资源申请和释放的时间。这正是定义转移语义的目的。

用c++11的右值引用来定义这两个函数

// 用c++11的右值引用来定义这两个函数
MyString(MyString&& str) {std::cout << "Move Constructor is called! source: " << str.m_data <<std::endl;m_len = str.m_len;m_data = str.m_data; //避免了不必要的拷贝str.m_len = 0;str.m_data = NULL;
}
MyString& operator=(MyString&& str) {std::cout << "Move Assignment is called! source: " << str.m_data <<std::endl;if (this != &str) {m_len = str.m_len;m_data = str.m_data; //避免了不必要的拷贝str.m_len = 0;str.m_data = NULL;}return *this;
}

有了右值引用和转移语义，我们在设计和实现类时，对于需要动态申请大量资源的类，应该设计右值引用的拷贝构造函数和赋值函数，以提高应用程序的效率。

移动(move )语义

我们知道移动语义是通过右值引用来匹配临时值的，那么，普通的左值是否也能借组移动语义来优化性能呢？C++11为了解决这个问题，提供了std::move()方法来将左值转换为右值，从而方便应用移动语义。move是将对象的状态或者所有权从一个对象转移到另一个对象，只是转义，没有内存拷贝。

//2-2-move1
#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <string.h>
using namespace std;
class MyString {private:char* m_data;size_t m_len;void copy_data(const char *s) {m_data = new char[m_len+1];memcpy(m_data, s, m_len);m_data[m_len] = '\0';}public:MyString() {m_data = NULL;m_len = 0;}MyString(const char* p) {m_len = strlen (p);copy_data(p);}MyString(const MyString& str) {m_len = str.m_len;copy_data(str.m_data);std::cout << "Copy Constructor is called! source: " << str.m_data <<std::endl;}MyString& operator=(const MyString& str) {if (this != &str) {m_len = str.m_len;copy_data(str.m_data);}std::cout << "Copy Assignment is called! source: " << str.m_data <<std::endl;return *this;}// 用c++11的右值引用来定义这两个函数MyString(MyString&& str) {std::cout << "Move Constructor is called! source: " << str.m_data <<std::endl;m_len = str.m_len;m_data = str.m_data; //避免了不必要的拷贝str.m_len = 0;str.m_data = NULL;}MyString& operator=(MyString&& str) {std::cout << "Move Assignment is called! source: " << str.m_data <<std::endl;if (this != &str) {m_len = str.m_len;m_data = str.m_data; //避免了不必要的拷贝str.m_len = 0;str.m_data = NULL;}return *this;}virtual ~MyString() {if (m_data) free(m_data);}
};
int main()
{MyString a;a = MyString("Hello"); // moveMyString b = a; // copyMyString c = std::move(a); // move， 将左值转为右值return 0;
}

forward 完美转发

forward 完美转发实现了参数在传递过程中保持其值属性的功能，即若是左值，则传递之后仍然是左值，若是右值，则传递之后仍然是右值。

现存在一个函数

Template<class T>
void func(T &&val);

根据前面所描述的，这种引用类型既可以对左值引用，亦可以对右值引用。但要注意，引用以后，这个val值它本质上是一个左值！看下面例子

int &&a = 10;
int &&b = a; //错误

注意这里，a是一个右值引用，但其本身a也有内存名字，所以a本身是一个左值，再用右值引用引用a这是不对的。

因此我们有了std::forward()完美转发，这种T &&val中的val是左值，但如果我们用std::forward (val)，就会按照参数原来的类型转发；

int &&a = 10;
int &&b = std::forward<int>(a);

这样是正确的！通过范例巩固下知识：

//2-4-forward
#include <iostream>
using namespace std;
template <class T>void Print(T &t)
{cout << "L" << t << endl;
}
template <class T>void Print(T &&t)
{cout << "R" << t << endl;
}
template <class T>void func(T &&t)
{Print(t);Print(std::move(t));Print(std::forward<T>(t));
}
int main()
{cout << "-- func(1)" << endl;func(1);int x = 10;int y = 20;cout << "-- func(x)" << endl;func(x); // x本身是左值cout << "-- func(std::forward<int>(y))" << endl;func(std::forward<int>(y)); //return 0;
}
/*
-- func(1)
L1
R1
R1
-- func(x)
L10
R10
L10 按照原来的属性转发
-- func(std::forward(y))
L20
R20
R20
*/

解释： func(1) ：由于1是右值，所以未定的引用类型T&&v被一个右值初始化后变成了一个右值引用，但是在 func()函数体内部，调用PrintT(v) 时，v又变成了一个左值（因为在std::forward里它已经变成了一个具名的变量，所以它是一个左值），因此，示例测试结果第一个PrintT被调用，打印出“L1" 调用PrintT（std::forward(v)）时，由于std::forward会按参数原来的类型转发，因此，它还是一个右值（这里已经发生了类型推导，所以这里的T&&不是一个未定的引用类型，会调用void PrintT（T&&t）函数打印 “R1”.调用PrintT(std::move(v))是将v变成一个右值（v本身也是右值），因此，它将输出”R1" func(x)未定的引用类型T&&v被一个左值初始化后变成了一个左值引用，因此，在调用 PrintT(std::forward(v))时它会被转发到void PrintT（T&t）.

forward将左值转换为右值：

MyString str1 = "hello";
MyString str2(str1);
MyString str3 = Fun();
MyString str4 = move(str2);
MyString str5(forward<MyString>(str3));

综合示例

#include "stdio.h"
#include <iostream>
#include<vector>
using namespace std;
class A
{public:A() :m_ptr(NULL), m_nSize(0){}A(int *ptr, int nSize){m_nSize = nSize;m_ptr = new int[nSize];if (m_ptr){memcpy(m_ptr, ptr, sizeof(sizeof(int) * nSize));}}A(const A& other) // 拷贝构造函数实现深拷贝{m_nSize = other.m_nSize;if (other.m_ptr){delete[] m_ptr;m_ptr = new int[m_nSize];memcpy(m_ptr, other.m_ptr, sizeof(sizeof(int)* m_nSize));}else{m_ptr = NULL;}cout << "A(const int &i)" << endl;}// 右值应用构造函数A(A &&other){m_ptr = NULL;m_nSize = other.m_nSize;if (other.m_ptr){m_ptr = move(other.m_ptr); // 移动语义other.m_ptr = NULL;}}~A(){if (m_ptr){delete[] m_ptr;m_ptr = NULL;}}void deleteptr(){if (m_ptr){delete[] m_ptr;m_ptr = NULL;}}int *m_ptr;int m_nSize;
};
void main()
{int arr[] = { 1, 2, 3 };A a(arr, sizeof(arr)/sizeof(arr[0]));cout << "m_ptr in a Addr: 0x" << a.m_ptr << endl;A b(a);cout << "m_ptr in b Addr: 0x" << b.m_ptr << endl;b.deleteptr();A c(std::forward<A>(a)); // 完美转换cout << "m_ptr in c Addr: 0x" << c.m_ptr << endl;c.deleteptr();vector<int> vect{ 1, 2, 3, 4, 5 };cout << "before move vect size: " << vect.size() << endl;vector<int> vect1 = move(vect);cout << "after move vect size: " << vect.size() << endl;cout << "new vect1 size: " << vect1.size() << endl;
}

emplace_back 减少内存拷贝和移动

对于STL容器，C++11后引入了emplace_back接口。 emplace_back是就地构造，不用构造后再次复制到容器中。因此效率更高。考虑这样的语句：

vector<string> testVec;
testVec.push_back(string(16, 'a'));

上述语句足够简单易懂，将一个string对象添加到testVec中。底层实现：

首先，string(16, ‘a’)会创建一个string类型的临时对象，这涉及到一次string构造过程。
其次，vector内会创建一个新的string对象，这是第二次构造。
最后在push_back结束时，最开始的临时对象会被析构。加在一起，这两行代码会涉及到两次 string构造和一次析构。

c++11可以用emplace_back代替push_back，emplace_back可以直接在vector中构建一个对象，而非创建一个临时对象，再放进vector，再销毁。emplace_back可以省略一次构建和一次析构，从而达到优化的目的.

//time_interval.h
#ifndef TIME_INTERVAL_H
#define TIME_INTERVAL_H
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#ifdef GCC
#include <sys/time.h>
#else
#include <ctime>
#endif // GCC
class TimeInterval
{public:TimeInterval(const std::string& d) : detail(d){init();}TimeInterval(){init();}~TimeInterval(){#ifdef GCCgettimeofday(&end, NULL);std::cout << detail<< 1000 * (end.tv_sec - start.tv_sec) + (end.tv_usec -start.tv_usec) / 1000<< " ms" << endl;#elseend = clock();std::cout << detail<< (double)(end - start) << " ms" << std::endl;#endif // GCC}protected:void init() {#ifdef GCCgettimeofday(&start, NULL);#elsestart = clock();#endif // GCC}private:std::string detail;#ifdef GCCtimeval start, end;#elseclock_t start, end;#endif // GCC
};
#define TIME_INTERVAL_SCOPE(d) std::shared_ptr<TimeInterval>
time_interval_scope_begin = std::make_shared<TimeInterval>(d)#endif // TIME_INTERVAL_H

//2-5-emplace_back
#include <vector>
#include <string>
#include "time_interval.h"
int main() {std::vector<std::string> v;int count = 10000000;v.reserve(count); //预分配十万大小，排除掉分配内存的时间{TIME_INTERVAL_SCOPE("push_back string:");for (int i = 0; i < count; i++){std::string temp("ceshi");v.push_back(temp);// push_back(const string&)，参数是左值引用}}v.clear();{TIME_INTERVAL_SCOPE("push_back move(string):");for (int i = 0; i < count; i++){std::string temp("ceshi");v.push_back(std::move(temp));// push_back(string &&), 参数是右值引用}}v.clear();{TIME_INTERVAL_SCOPE("push_back(string):");for (int i = 0; i < count; i++){v.push_back(std::string("ceshi"));// push_back(string &&), 参数是右值引用}}v.clear();{TIME_INTERVAL_SCOPE("push_back(c string):");for (int i = 0; i < count; i++){v.push_back("ceshi");// push_back(string &&), 参数是右值引用}}v.clear();{TIME_INTERVAL_SCOPE("emplace_back(c string):");for (int i = 0; i < count; i++){v.emplace_back("ceshi");// 只有一次构造函数，不调用拷贝构造函数，速度最快}}
}
/*
push_back string:335 ms
push_back move(string):307 ms
push_back(string):285 ms
push_back(c string):295 ms
emplace_back(c string):234 ms
*/

第1中方法耗时最长，原因显而易见，将调用左值引用的push_back，且将会调用一次string的拷贝构造函数，比较耗时，这里的string还算很短的，如果很长的话，差异会更大

第2、3、4中方法耗时基本一样，参数为右值，将调用右值引用的push_back，故调用string的移动构造函数，移动构造函数耗时比拷贝构造函数少，因为不需要重新分配内存空间。

第5中方法耗时最少，因为emplace_back只调用构造函数，没有移动构造函数，也没有拷贝构造函数。为了证实上述论断，我们自定义一个类，并在普通构造函数、拷贝构造函数、移动构造函数中打印相应描述：

#include <vector>
#include <string>
#include "time_interval.h"
using namespace std;
class Foo {public:Foo(std::string str) : name(str) {std::cout << "constructor" << std::endl;}Foo(const Foo& f) : name(f.name) {std::cout << "copy constructor" << std::endl;}Foo(Foo&& f) : name(std::move(f.name)){std::cout << "move constructor" << std::endl;}private:std::string name;
};
int main() {std::vector<Foo> v;int count = 10000000;v.reserve(count); //预分配十万大小，排除掉分配内存的时间{TIME_INTERVAL_SCOPE("push_back T:");Foo temp("test");v.push_back(temp);// push_back(const T&)，参数是左值引用//打印结果：//constructor//copy constructor}cout << " ---------------------\n" << endl;v.clear();{TIME_INTERVAL_SCOPE("push_back move(T):");Foo temp("test");v.push_back(std::move(temp));// push_back(T &&), 参数是右值引用//打印结果：//constructor//move constructor}cout << " ---------------------\n" << endl;v.clear();{TIME_INTERVAL_SCOPE("push_back(T&&):");v.push_back(Foo("test"));// push_back(T &&), 参数是右值引用//打印结果：//constructor//move constructor}cout << " ---------------------\n" << endl;v.clear();{std::string temp = "test";TIME_INTERVAL_SCOPE("push_back(string):");v.push_back(temp);// push_back(T &&), 参数是右值引用//打印结果：//constructor//move constructor}cout << " ---------------------\n" << endl;v.clear();{std::string temp = "test";TIME_INTERVAL_SCOPE("emplace_back(string):");v.emplace_back(temp);// 只有一次构造函数，不调用拷贝构造函数，速度最快//打印结果：//constructor}
}
/*
constructor
copy constructor
push_back T:2 ms
constructor
move constructor
push_back move(T):0 ms
constructor
move constructor
push_back(T&&):0 ms
constructor
move constructor
push_back(string):0 ms
constructor
emplace_back(string):0 ms
*/

unordered container 无序容器

C++11 增加了无序容器 unordered_map/unordered_multimap 和 unordered_set/unordered_multiset，由于这些容器中的元素是不排序的，因此，比有序容器 map/multimap 和 set/multiset 效率更高。 map 和 set 内部是红黑树，在插入元素时会自动排序，而无序容器内部是散列表（ Hash Table），通过哈希（ Hash），而不是排序来快速操作元素，使得效率更高。由于无序容器内部是散列表，因此无序容器的 key 需要提供 hash_value 函数，其他用法和 map/set 的用法是一样的。不过对于自定义的 key，需要提供 Hash 函数和比较函数。

map和unordered_map的差别

需要引入的头文件不同

map: #include < map >
unordered_map: #include < unordered_map >

内部实现机理不同

map： map内部实现了一个红黑树（红黑树是非严格平衡二叉搜索树，而AVL是严格平衡二叉搜索树），红黑树具有自动排序的功能，因此map内部的所有元素都是有序的，红黑树的每一个节点都代表着map的一个元素。因此，对于map进行的查找，删除，添加等一系列的操作都相当于是对红黑树进行的操作。map中的元素是按照二叉搜索树（又名二叉查找树、二叉排序树，特点就是左子树上所有节点的键值都小于根节点的键值，右子树所有节点的键值都大于根节点的键值）存储的，使用中序遍历可将键值按照从小到大遍历出来。
unordered_map: unordered_map内部实现了一个哈希表（也叫散列表，通过把关键码值映射到 Hash表中一个位置来访问记录，查找的时间复杂度可达到O(1)，其在海量数据处理中有着广泛应用）。因此，其元素的排列顺序是无序的。