C++ 移动语义

news2024/11/20 12:44:34

从拷贝说起

我们知道，C++中有拷贝构造函数和拷贝赋值运算符。那既然是拷贝，听上去就是开销很大的操作。没错，所谓拷贝，就是申请一块新的内存空间，然后将数据复制到新的内存空间中。如果一个对象中都是一些基本类型的数据的话，由于数据量很小，那执行拷贝操作没啥毛病。但如果对象中涉及其他对象或指针数据的话，那么执行拷贝操作就可能会是一个很耗时的过程。

我们来看一个例子，该类中有一个string类型的成员函数，定义如下：

class MyClass
{
 public:
       MyClass(const std::string& s) :str(s)
       {
       };
 private:
     std::string str;
};

MyClass A{"hello"};

当我们新建一个该类的对象A，并传递参数“hello”时，对象A的成员变量str中会存储字符“hello”。而为了存储字符串，string类型会为其分配内存空间。因此，当前内存中的数据如图所示：

现在，当我们定义一个该类的新对象B，且把对象A赋值给对象B时，会发生什么？即，我们执行如下的语句：

MyClass B = A;

当拷贝发生时，为了让B对象中的成员变量str也能够存储字符串“hello”,string类型会为其分配内存空间，并将对象A的str中的数据复制过来，因此，经过拷贝操作后，此时内存中的数据如图所示：

需要移动语义的情况

既然拷贝操作没毛病，那么为什么要新增移动语义呢。因为在一些情况下，我们可能确实不需要拷贝操作，下面的例子。

class MyClass
{
  public:
      MyClass(const std::string& s):str(s)
      {
         
      };
  private:
      std:string str;
}
std:vector<MyClass> myclasses;
MyClass tmp{"hello"};
myclasses.push_pack(tmp);
myclasses.push_pack(tmp);

在上面的例子中，我们创建了一个容器以及一个MyClass对象tmp,我们将tmp对象添加到容器中2次，每次添加时，都会发生一次拷贝操作，最终内存中的数据如图所示：

现在问题来了，tmp对象在被添加到容器2次后，就不需要了，也就是说，它的生命周期即将结束，那么聪明的你一定想到，既然tmp对象不在需要了，那么将第2次将其添加到容器中的操作是不是就可以不执行拷贝操作了，而是让容器直接取tmp对象的数据继续用，没错，这时，就需要移动语义帅气登场了。

移动语义

所谓移动语义，就像其字面意思一样，即把数据从一个对象中转移到另一个对象中，从而避免拷贝操作所带来的性能损耗。

那么在上面的例子中，我们如何触发移动语义呢？很简单，我们只需要使用std::move函数即可。有关std::move函数，就是另一个话题了，这里我们不深入探讨。我们只需要知道，通过std::move函数，我们可以告知编译器，某个对象不再需要了，可以把它的数据转移给其他需要的对象用。

class Myclass
{
   public:
          MyClass(const std::string& s):str(s)
          {
             
          };
    //假设已经实现了移动语义
   private:
       std::string str;
}
std:vector<MyClass> myclasses;
MyClass tmp{"hello"};
myclasses.push_pack(tmp);
myclasses.push_pack(std::move(tmp));

由于我们还没讲到移动语义的实现，因此这里先假设MyClass类已经实现了移动语义。我们改动的是最后一行代码，由于我们不再需要tmp对象，因此通过使用std::move函数，我们让myClasses容器直接转移tmp对象的数据为已用，而不再需要执行拷贝操作了。

通过数据转移，我们避免了一次拷贝操作，最终内存中的数据如图所示：

至此，我们可以了解到，C++11引入移动语义可以在不需要拷贝函数操作的场合执行数据转移，从而极大的提升程序的运行性能。

左值引用与右值引用

在学习如何实现移动语义之前，我们需要先了解2个概念，即左值引用与右值引用。

为了支持移动语义，C++11引入了一种新的引用类型，称为“右值引用”，使用&&来声明。而我们最常用的&声明的引用，现在我们称为左值引用。

右值引用能够引用没有名称的临时对象以及使用std::move标记的对象

int val{0};
int && rRef0{ getTempValue()}; // ok 引用临时对象
int && rRef1{val};     //Error，不能引用左值
int&& rRef2{ std::move(val) };  // OK，引用使用std::move标记的对象

移动语义的实现需要用到右值引用。以下2中情况会让编译器将对象匹配右值引用：

1：一个语句执行完毕后会被自动销毁的临时对象。

2：由std::move标记的非const对象

区分拷贝操作与移动操作

我们回到上文的例子，对于myClasses容器的第一次push_back，我们期望执行的是拷贝操作，而对于myClasses容器的第二次push_back，由于之后我们不再需要tmp对象了，因此我们期望执行的是移动操作：


class MyClass
{
public:
    MyClass(const std::string& s)
        : str{ s }
    {};

    // 假设已经实现了移动语义

private:
    std::string str;
};

std::vector<MyClass> myClasses;
MyClass tmp{ "hello" };
myClasses.push_back(tmp);  // 这里执行拷贝操作，将tmp中的数据拷贝给容器中的元素
myClasses.push_back(std::move(tmp));  // 这里执行移动操作，容器中的元素直接将tmp的数据转移给自己

现在我们已经知道，移动操作执行的是对象数据的转移，那么它一定是与拷贝操作不一样的。因此，为了能够将拷贝操作与移动操作区分执行，就需要用到我们上一节的主题：左值引用与右值引用。

因此，对于容器的push_back函数来说，它一定针对拷贝操作和移动操作有不同的重载实现，而重载用到的即是左值引用与右值引用。伪代码如下：


class vector
{
public:
    void push_back(const MyClass& value)  // const MyClass& 左值引用
    {
        // 执行拷贝操作
    }

    void push_back(MyClass&& value)  // MyClass&& 右值引用
    {
        // 执行移动操作
    }
};

通过传递左值引用或右值引用，我们就能够根据需要调用不同的push_back重载函数了。那么下一个问题来了，我们知道std::vector是模板类，可以用于任意类型。所以，std::vector不可能自己去实现拷贝操作或移动操作，因为它不知道自己会用在哪些类型上。因此，std::vector真正做的，是委托具体类型自己去执行拷贝操作与移动操作。

移动构造函数

当通过push_back向容器中添加一个新的元素时，如果是通过拷贝的方式，那么对应执行的会是容器元素类型的拷贝构造函数。关于拷贝构造函数，它是C++一直以来都包含的功能，相信大家已经很熟悉了，因此在这里就不展开了。

当通过push_back向容器中添加一个新的元素时，如果是通过移动的方式，那么对应执行的会是容器元素类型的“移动构造函数”（敲黑板，划重点）。

移动构造函数是C++11引入的一种新的构造函数，它接收右值引用。以我们前文的MyClass例子来说，为其定义移动构造函数：

class MyClass
{
public:
    // 移动构造函数
    MyClass(MyClass&& rValue) noexcept  // 关于noexcept我们稍后会介绍
        : str{ std::move(rValue.str) }  // 看这里，调用std::string类型的移动构造函数
    {}

    MyClass(const std::string& s)
        : str{ s }
    {}

private:
    std::string str;
};

在移动构造函数中，我们要做的就是转移成员数据。我们的MyClass有一个std::string类型的成员，该类型自身实现了移动语义，因此我们可以继续调用std::string类型的移动构造函数。

在有了移动构造函数之后，我们就可以在需要时通过它来创建新的对象，从而避免拷贝操作的开销。以如下代码为例：


MyClass tmp{ "hello" };
MyClass A{ std::move(tmp) };  // 调用移动构造函数

首先我们创建了一个tmp对象，接着我们通过tmp对象来创建A对象，此时传递给构造函数的参数为std::move(tmp)。还记得我们前文提及的编译器匹配右值引用的情况之一嘛，即由std::move标记的非const对象，因此编译器会调用执行移动构造函数，我们就完成了将tmp对象的数据转移到对象A上的操作：

自己手动实现移动语义

在前文的MyClass例子中，我们将移动操作交由std::string类型去完成。那如果我们的类有成员数据需要我们自己去实现数据转移的话，通常该怎么做呢？

我们来举个例子，假设我们定义的类型中包含了一个int类型的数据以及一个char*类型的指针：


class MyClass
{
public:
    MyClass()
        : val{ 998 }
    {
        name = new char[] { "Peter" };
    }

    ~MyClass()
  {
    if (nullptr != name)
    {
      delete[] name;
      name = nullptr;
    }
  }

private:
    int val;
    char* name;
};

MyClass A{};

当我们创建一个MyClass的对象时，它在内存的布局如图所示：

现在我们来为MyClass类型实现移动构造函数，代码如下所示：

class MyClass
{
public:
  MyClass()
    : val{ 998 }
  {
    name = new char[] { "Peter" };
  }

  // 实现移动构造函数
  MyClass(MyClass&& rValue) noexcept
    : val{ std::move(rValue.val) }  // 转移数据
  {
    rValue.val = 0;  // 清除被转移对象的数据

    name = rValue.name;  // 转移数据
    rValue.name = nullptr;  // 清除被转移对象的数据
  }

  ~MyClass()
  {
    if (nullptr != name)
    {
      delete[] name;
      name = nullptr;
    }
  }

private:
  int val;
  char* name;
};

MyClass A{};
MyClass B{ std::move(A) };  // 通过移动构造函数创建新对象B

还记得移动语义的精髓嘛？数据拿过来用就完事儿了。因此，在移动构造函数中，我们将传入对象A的数据转移给新创建的对象B。同时，还需要关注的重点在于，我们需要把传入对象A的数据清除，不然就会产生多个对象共享同一份数据的问题。被转移数据的对象会处于“有效但未定义（valid but unspecified）”的状态（后文会介绍）。

通过移动构造函数创建对象B之后，内存中的布局如图所示：

移动赋值运算符

与拷贝构造函数和拷贝赋值运算符一样，除了移动构造函数之外，C++11还引入了移动赋值运算符。移动赋值运算符也是接收右值引用，它的实现和移动构造函数基本一致。在移动赋值运算符中，我们也是从传入的对象中转移数据，并将该对象的数据清除：


class MyClass
{
public:
  MyClass()
    : val{ 998 }
  {
    name = new char[] { "Peter" };
  }

  MyClass(MyClass&& rValue) noexcept
    : val{ std::move(rValue.val) }
  {
    rValue.val = 0;

    name = rValue.name;
    rValue.name = nullptr;
  }

  // 移动赋值运算符
  MyClass& operator=(MyClass&& myClass) noexcept
  {
    val = myClass.val;
    myClass.val = 0;

    name = myClass.name;
    myClass.name = nullptr;

    return *this;
  }

  ~MyClass()
  {
    if (nullptr != name)
    {
      delete[] name;
      name = nullptr;
    }
  }

private:
  int val;
  char* name;
};

MyClass A{};
MyClass B{};
B = std::move(A);  // 使用移动赋值运算符将对象A赋值给对象B

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