深入浅出 C++ 11 右值引用

发表于 3年以前 | 总阅读数：295 次

1 写在前面

如果你还不知道 C++ 11 引入的右值引用是什么，可以读读这篇文章，看看有什么启发；如果你已经对右值引用了如指掌，也可以读读这篇文章，看看有什么补充。欢迎交流~

尽管 C++ 17 标准在去年底已经正式发布了，但由于 C++ 语言变得越来越复杂，让许多人对很多新特性望而却步。

对于 2011 年发布的 C++ 11 标准，很多人虽然对右值引用/移动语义/拷贝省略/通用引用/完美转发之类的概念都有所耳闻，却没有详细了解其设计初衷/实现原理，甚至对一些细节有所误解（包括我）。

我刚开始学习 C++ 的时候，也常常混淆这几个概念。但随着深入了解、与人探讨，才逐步理清楚这几个概念的来龙去脉。先分享几个我曾经犯过的错误。

1.1 误解：返回前，移动局部变量

ES.56: Write std::move() only when you need to explicitly move an object to another scope

std::string base_url = tag->GetBaseUrl();
if (!base_url.empty()) {
  UpdateQueryUrl(std::move(base_url) + "&q=" + word_);
}
LOG(INFO) << base_url;  // |base_url| may be moved-from

上述代码的问题在于：使用 std::move() 移动局部变量 base_url，会导致后续代码不能使用该变量；如果使用，会出现未定义行为 (undefined behavior)（参考：std::basic_string(basic_string&&)）。

如何检查移动后使用 (use after move)：

运行时，在移动构造函数中，将被移动的值设置为无效状态，并在每次使用前检查有效性
编译时，使用 Clang 标记对移动语义进行静态检查（参考：Consumed Annotation Checking | Attributes in Clang）

1.2 误解：被移动的值不能再使用

C.64: A move operation should move and leave its source in a valid state

auto p = std::make_unique<int>(1);
auto q = std::move(p);
assert(p == nullptr);  // OK: use after move

p.reset(new int{2});   // or p = std::make_unique<int>(2);
assert(*p == 1);       // OK: realive now

很多人认为：被移动的值会进入一个非法状态 (invalid state)，对应的内存不能再访问。

其实，C++ 标准要求对象遵守 § 3 移动语义：被移动的对象进入一个合法但未指定状态 (valid but unspecified state)，调用该对象的方法不会出现异常。要求处于这个状态的对象：

（基本要求）能正确析构（不会重复释放已经被移动了的资源，例如 std::unique_ptr::~unique_ptr() 检查指针是否需要 delete）
（一般要求）重新赋值后，和新的对象没有差别（C++ 标准库基于这个假设）
（更高要求）恢复为默认值（例如 std::unique_ptr 恢复为 nullptr）

另外，基本类型的值（例如 int/double）的移动和拷贝相同。例如，int i = 42; 被移动后，保持为原有值 i == 42。

1.3 误解：移动返回值

F.48: Don’t return std::move(local)

std::unique_ptr<int> foo() {
  auto ret = std::make_unique<int>(1);
  //...
  return std::move(ret);  // -> return ret;
}

上述代码的问题在于：没必要使用 std::move() 移动返回值。

C++ 会把即将离开作用域的返回值当成右值（参考 § 2.1），对返回的对象进行 § 3 移动构造（语言标准）；如果编译器允许 § 4 拷贝省略，还可以省略这一步的构造，直接把 ret 存放到返回值的内存里（编译器优化）。

Never apply std::move() or std::forward() to local objects if they would otherwise be eligible for the return value optimization. —— Meyer Scott, Effective Modern C++

另外，误用 std::move() 会阻止编译器的拷贝省略优化。不过聪明的 Clang 会提示 -Wpessimizing-move 警告。

1.4 误解：不移动右值引用参数

F.18: For “will-move-from” parameters, pass by X&& and std::move() the parameter

std::unique_ptr<int> bar(std::unique_ptr<int>&& val) {
  //...
  return val;    // not compile
                 // -> return std::move/forward(val);
}

上述代码的问题在于：没有对返回值使用 std::move()（编译器提示 std::unique_ptr(const std::unique_ptr&) = delete 错误）。

If-it-has-a-name Rule:

Named rvalue references are lvalues.

Unnamed rvalue references are rvalues.

因为不论左值引用还是右值引用的变量（或参数）在初始化后，都是左值（参考 § 2.1）：

在作用域内，左值可以被取地址、被赋值
命名的右值引用变量 (named rvalue reference variable) 是左值，但变量类型却是右值引用

所以，返回右值引用变量时，需要使用 std::move()/std::forward() 显式的 § 5.4 移动转发或 § 5.3 完美转发，将变量的类型 “还原” 为右值引用。

1.5 误解：手写错误的移动构造函数

C.20: If you can avoid defining default operations, do

C.21: If you define or =delete any default operation, define or =delete them all

C.80: Use =default if you have to be explicit about using the default semantics

C.66: Make move operations noexcept

实际上，多数情况下：

如果没有定义构造/析构函数，编译器会自动生成移动构造/赋值函数（rule of zero）
如果需要定义构造/析构函数，不要忘了移动构造/赋值函数，否则对象会不可移动（rule of five）
尽量使用=default 让编译器生成移动构造/赋值函数，否则容易写错
如果需要自定义移动构造/赋值函数，尽量定义为 noexcept 不抛出异常（编译器生成的版本会自动添加），否则不能高效使用标准库和语言工具

例如，标准库容器 std::vector 在扩容时，会通过 std::vector::reserve() 重新分配空间，并转移已有元素。如果扩容失败，std::vector 满足强异常保证 (strong exception guarantee)，可以回滚到失败前的状态。

为此，std::vector 使用 std::move_if_noexcept() 进行元素的转移操作：

优先使用 noexcept 移动构造函数（高效；不抛出异常）
其次使用拷贝构造函数（低效；如果异常，可以回滚）
再次使用非 noexcept 移动构造函数（高效；如果异常，无法回滚）
最后如果不可拷贝、不可移动，编译失败

如果没有定义移动构造函数或自定义的移动构造函数没有 noexcept，会导致 std::vector 扩容时执行无用的拷贝，不易发现。

2 基础知识

之所以会出现上边的误解，往往是因为 C++ 语言的复杂性和使用者对基础知识的掌握程度不匹配。

2.1 值类别 vs 变量类型

划重点 —— 值 (value) 和变量 (variable) 是两个独立的概念：

值只有类别 (category) 的划分，变量只有类型 (type) 的划分
值不一定拥有身份 (identity)，也不一定拥有变量名（例如表达式中间结果 i + j + k）

值类别 (value category) 可以分为两种：

左值 (lvalue, left value) 是能被取地址、不能被移动的值
右值 (rvalue, right value) 是表达式中间结果/函数返回值（可能拥有变量名，也可能没有）

C++ 17 细化了 prvalue/xvalue/lvalue 和 rvalue/glvalue 类别，本文不详细讨论。

引用类型 (reference type) 属于一种变量类型 (variable type)，将在 § 2.2 详细讨论。

在变量初始化 (initialization) 时，需要将初始值 (initial value) 绑定到变量上；但引用类型变量的初始化和其他变量不同：

创建时，必须显式初始化（和指针不同，不允许空引用 (null reference)；但可能存在悬垂引用 (dangling reference)）
相当于是其引用的值的一个别名 (alias)（例如，对引用变量的赋值运算 (assignment operation) 会赋值到其引用的值上）
一旦绑定了初始值，就不能重新绑定到其他值上了（和指针不同，赋值运算不能修改引用的指向；而对于 Java/JavaScript 等语言，对引用变量赋值可以重新绑定）

2.2 左值引用 vs 右值引用 vs 常引用

引用类型可以分为两种：

左值引用 (l-ref, lvalue reference) 用 & 符号引用左值（但不能引用右值）
右值引用 (r-ref, rvalue reference) 用 && 符号引用右值（也可以移动左值）

void f(Data&  data);  // 1, data is l-ref
void f(Data&& data);  // 2, data is r-ref
Data   data;

Data&  data1 = data;             // OK
Data&  data1 = Data{};           // not compile: invalid binding
Data&& data2 = Data{};           // OK
Data&& data2 = data;             // not compile: invalid binding
Data&& data2 = std::move(data);  // OK

f(data);    // 1, data is lvalue
f(Data{});  // 2, data is rvalue
f(data1);   // 1, data1 is l-ref type and lvalue
f(data2);   // 1, data2 is r-ref type but lvalue

左值引用变量 data1 在初始化时，不能绑定右值 Data{}
右值引用变量 data2 在初始化时，不能绑定左值 data
但可以通过 std::move() 将左值转为右值引用（参考 § 5.4）
右值引用变量 data2 被初始化后，在作用域内是左值（参考 § 1.4），所以匹配 f() 的重载 2

另外，C++ 还支持了常引用 (c-ref, const reference)，同时接受左值/右值进行初始化：

void g(const Data& data);  // data is c-ref

g(data);    // ok, data is lvalue
g(Data{});  // ok, data is rvalue

常引用和右值引用都能接受右值的绑定，有什么区别呢？

通过右值引用/常引用初始化的右值，都可以将生命周期扩展 (lifetime extension) 到绑定该右值的引用的生命周期
初始化时绑定了右值后，右值引用可以修改引用的右值，而常引用不能修改
如果函数同时接受右值引用/常引用参数，编译器优先重载右值引用参数

const Data& data1 = Data{};   // OK: extend lifetime
data1.modify();               // not compile: const

Data&& data2 = Data{};        // OK: extend lifetime
data2.modify();               // OK: non-const

void f(const Data& data);  // 1, data is c-ref
void f(Data&& data);       // 2, data is r-ref

f(Data{});  // 2, prefer 2 over 1 for rvalue

2.3 引用折叠

引用折叠 (reference collapsing) 是 std::move()/std::forward() 的实现基础：

using Lref = Data&;
using Rref = Data&&;
Data data;

Lref&  r1 = data;    // r1 is Data&
Lref&& r2 = data;    // r2 is Data&
Rref&  r3 = data;    // r3 is Data&
Rref&& r4 = Data{};  // r4 is Data&&

3 移动语义

在 C++ 11 强化左右值概念后，我们可以针对右值进行优化。于是，C++ 11 中就提出了移动语义 (move semantic)：

由于右值对象一般是临时对象，在移动时，对象包含的资源不需要先复制再删除，只需要直接从旧对象移动到新对象
要求被移动的对象，能正确析构（参考 § 1.2）

由于基本类型不包含资源，其移动和拷贝相同：被移动后，保持为原有值。

3.1 避免先复制再释放资源

针对包含了资源的对象，我们可以通过移动对象的资源进行优化。例如，常用的 STL 类模板都有：

以常引用作为参数的拷贝构造函数 (copy constructor)
以右值引用作为参数的移动构造函数 (move constructor)

template<typename T>
class vector {
 public:
  vector(const vector& rhs);      // copy data
  vector(vector&& rhs) noexcept;  // move data
  ~vector();                      // dtor
 private:
  T* data_ = nullptr;
  size_t size_ = 0;
};

vector::vector(const vector& rhs) : data_(new T[rhs.size_]) {
  auto &lhs = *this;
  lhs.size_ = rhs.size_;
  std::copy_n(rhs.data_, rhs.size_, lhs.data_);  // copy data
}

vector::vector(vector&& rhs) noexcept {
  auto &lhs = *this;
  lhs.size_ = rhs.size_;
  lhs.data_ = rhs.data_;  // move data
  rhs.size_ = 0;
  rhs.data_ = nullptr;    // set data of rhs to null
}

vector::~vector() {
  if (data_)              // release only if owned
    delete[] data_;
}

上述代码中，构造函数 vector::vector() 根据参数的左右值类型判断：

参数为左值时，拷贝构造，使用 new[]/std::copy_n 拷贝原对象的内存（本方案有一次冗余的默认构造，可优化）
参数为右值时，移动构造，把指向原对象内存的指针 data_、内存大小 size_ 复制到新对象，并把原对象这两个成员置 0

析构函数 vector::~vector() 检查 data_ 是否有效，决定是否需要释放资源。

除了能判断参数是否为左右值，成员函数还可以判断当前对象的左右值类型：给成员函数加上引用限定符 (reference qualifier)，针对对象本身的左右值类型进行优化。

class Foo {
 public:
  Data& data() & { return data_; }        // lvalue, l-ref
  Data data() && { return move(data_); }  // rvalue, move-out
};

auto ret1 = foo.data();    // foo is lvalue, copy
auto ret2 = Foo{}.data();  // foo is rvalue, move

3.2 转移不可复制的资源

在之前写的资源管理小记提到：如果资源是不可复制的，那么装载资源的对象也应该是不可复制的。

如果资源对象不可复制，那么只能通过移动，创建新对象。例如，智能指针 std::unique_ptr 只允许移动构造，不允许拷贝构造。

template<typename T>
class unique_ptr {
 public:
  unique_ptr(const unique_ptr& rhs) = delete;
  unique_ptr(unique_ptr&& rhs) noexcept;  // move only
 private:
  T* data_ = nullptr;
};

unique_ptr::unique_ptr(unique_ptr&& rhs) noexcept {
  auto &lhs = *this;
  lhs.data_ = rhs.data_;
  rhs.data_ = nullptr;
}

上述代码中，unique_ptr 的移动构造过程和 vector 类似：

把指向原对象内存的指针 data_ 复制到新对象
把原对象的指针 data_ 置为空

3.3 反例：不遵守移动语义

移动语义只是语言上的一个概念，具体是否移动对象的资源、如何移动对象的资源，都需要通过编写代码实现。而移动语义常常被误认为，编译器自动生成移动对象本身的代码（§ 4 拷贝省略）。

为了证明这一点，我们可以实现不遵守移动语义的 bad_vec::bad_vec(bad_vec&& rhs)，执行拷贝语义：

bad_vec::bad_vec(bad_vec&& rhs) : data_(new T[rhs.size_]) {
  auto &lhs = *this;
  lhs.size_ = rhs.size_;
  std::copy_n(rhs.data_, rhs.size_, lhs.data_);  // copy data
}

那么，一个 bad_vec 对象在被 move 移动后仍然可用：

bad_vec<int> v_old { 0, 1, 2, 3 };
auto v_new = std::move(v_old);

v_old[0] = v_new[3];           // ok, but odd :-)
assert(v_old[0] != v_new[0]);
assert(v_old[0] == v_new[3]);

虽然代码可以那么写，但是在语义上有问题：进行了拷贝操作，违背了移动语义的初衷。

4 拷贝省略

尽管 C++ 引入了移动语义，移动的过程仍有优化的空间 —— 与其调用一次没有意义的移动构造函数，不如让编译器直接跳过这个过程 —— 于是就有了拷贝省略 (copy elision)。

然而，很多人会把移动语义和拷贝省略混淆：

移动语义是语言标准提出的概念，通过编写遵守移动语义的移动构造函数、右值限定成员函数，逻辑上优化对象内资源的转移流程
拷贝省略是（C++ 17 前）非标准的编译器优化，跳过移动/拷贝构造函数，让编译器直接在移动后的对象内存上，构造被移动的对象（例如 § 1.3 的代码，直接在函数返回值对象的内存上，构造函数局部对象 ret —— 在不同作用域里，共享同一块内存）

C++ 17 要求编译器对纯右值 (prvalue, pure rvalue) 进行拷贝省略优化。（参考）

Data f() {
  Data val;
  // ...
  throw val;
  // ...
  return val;

  // NRVO from lvalue to ret (not guaranteed)
  // if NRVO is disabled, move ctor is called
}

void g(Date arg);

Data v = f();     // copy elision from prvalue (C++ 17)
g(f());           // copy elision from prvalue (C++ 17)

初始化局部变量、函数参数时，传入的纯右值可以确保被优化 —— Return Value Optimization (RVO)；而返回的将亡值 (xvalue, eXpiring value) 不保证被优化 —— Named Return Value Optimization (NRVO)。

5 通用引用和完美转发

揭示 std::move()/std::forward() 的原理，需要读者有一定的模板编程基础。

5.1 为什么需要通用引用

C++ 11 引入了变长模板的概念，允许向模板参数里传入不同类型的不定长引用参数。由于每个类型可能是左值引用或右值引用，针对所有可能的左右值引用组合，特化所有模板是不现实的。

假设没有通用引用的概念，模板 std::make_unique<> 至少需要两个重载：

template<typename T, typename... Args>
unique_ptr<T> make_unique(const Args&... args) {
  return unique_ptr<T> {
    new T { args... }
  };
}

template<typename T, typename... Args>
unique_ptr<T> make_unique(Args&&... args) {
  return unique_ptr<T> {
    new T { std::move<Args>(args)... }
  };
}

对于传入的左值引用 const Args&... args，只要展开 args... 就可以转发这一组左值引用
对于传入的右值引用 Args&&... args，需要通过 std::move() 转发出去，即 std::move<Args>(args)...（为什么要转发：参考 § 1.4）

上述代码的问题在于：如果传入的 args 既有左值引用又有右值引用，那么这两个模板都无法匹配。

5.2 通用引用

Item 24: Distinguish universal references from rvalue references. —— Meyer Scott, Effective Modern C++

Meyer Scott 指出：有时候符号 && 并不一定代表右值引用，它也可能是左值引用 —— 如果一个引用符号需要通过左右值类型推导（模板参数类型或 auto 推导），那么这个符号可能是左值引用或右值引用 —— 这叫做通用引用 (universal reference)。

// rvalue ref: no type deduction
void f1(Widget&& param1);
Widget&& var1 = Widget();
template<typename T> void f2(vector<T>&& param2);

// universal ref: type deduction
auto&& var2 = var1;
template<typename T> void f3(T&& param);

上述代码中，前三个 && 符号不涉及引用符号的左右值类型推导，都是右值引用；而后两个 && 符号会根据初始值推导左右值类型：

对于 var2
因为 var1 是左值，所以 var2 也是左值引用
推导不会参考 var1 的变量类型
对于 T&&
如果 param 传入左值，T&& 是左值引用 std::remove_reference_t<T>&
如果 param 传入右值，T&& 是右值引用 std::remove_reference_t<T>&&

基于通用引用，§ 5.1 的模板 std::make_unique<> 只需要一个重载：

template<typename T, typename... Args>
unique_ptr<T> make_unique(Args&&... args) {
  return unique_ptr<T> {
    new T { std::forward<Args>(args)... }
  };
}

其中，std::forward() 实现了针对不同左右值类型的转发 —— 完美转发。

5.3 完美转发

什么是完美转发 (perfect forwarding)：

如果参数是左值引用，直接以左值引用的形式，转发给下一个函数
如果参数是右值引用，要先 “还原” 为右值引用的形式，再转发给下一个函数

因此，std::forward() 定义两个不涉及左右值类型推导的模板（不能使用通用引用参数）：

template <typename T>
T&& forward(std::remove_reference_t<T>& val) noexcept {
  // forward lvalue as either lvalue or rvalue
  return static_cast<T&&>(val);
}

template <typename T>
T&& forward(std::remove_reference_t<T>&& val) noexcept {
  // forward rvalue as rvalue (not lvalue)
  static_assert(!std::is_lvalue_reference_v<T>,
                "Cannot forward rvalue as lvalue.");
  return static_cast<T&&>(val);
}

实参/返回值类型	左值引用返回值	右值引用返回值
（重载 1）左值引用实参	完美转发	移动转发
（重载 2）右值引用实参	语义错误	完美转发

尽管初始化后的变量都是左值（参考 § 1.4），但原始的变量类型仍会保留
因此，可以根据实参类型选择重载，和 T 的类型无关
返回值 static_cast<T&&>(val) 通过 § 2.3 引用折叠实现完美转发或移动转发，和实参类型无关

5.4 移动转发

类似的，std::move() 只转发为右值引用类型：

template <typename T>
std::remove_reference_t<T>&& move(T&& val) noexcept {
  // forward either lvalue or rvalue as rvalue
  return static_cast<std::remove_reference_t<T>&&>(val);
}