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C++ 11 中的右值引用
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C++ 11 中的右值引用
右值引用的功能
首先，我并不介绍什么是右值引用，而是以一个例子里来介绍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();
}
首先我们编译一下这个函数，运行结果如下：
tianfang > g++ main.cpp
tianfang > a.out
>> create obj
>> copy create obj
---- exit foo ----
>> copy create obj
tianfang >
可以看到，对obj对象执行了两次构造。vector是一个常用的容器了，我们可以很容易的分析这这两次拷贝构造的时机：
- foo函数第二行，调用push_back的时候，会在vector里建立一个obj的副本
- main函数第二行，执行复制函数的时候，会把foo()返回的对象全部复制过来，再次执行一次拷贝构造
由于对象的拷贝构造的开销是非常大的，因此我们想就可能避免他们。其中，第一次拷贝构造是vector的特性所决定的，不可避免。但第二次拷贝构造，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，我们除了加上了一个-std=c++11选项外，什么都没干，但现在就把第二次的拷贝构造给去掉了。它是如何实现这一过程的呢？
在老版本中，当我们执行第二行的赋值操作的时候，执行过程如下：
- foo()函数返回一个临时对象（这里用~tmp来标识它）
- 执行vector的 '=' 函数，将对象k中的现有成员删除，将~tmp的成员复制到k中来
- 删除临时对象~tmp
在C++11的版本中，执行过程如下：
- foo()函数返回一个临时对象（这里用~tmp来标识它）
- 执行vector的 '=' 函数，将对象k中的成员~tmp的成员互换，此时k中的成员就被替换成了~tmp中的成员。
- 删除临时对象~tmp（此时就删除了以前的k中的成员）
关键的过程就是第2步，它不是复制而是交换，从而避免的成员的拷贝，但效果却是一样的。不用修改代码，性能却得到了提升，对于程序员来说就是一份免费的午餐。
但是，这份免费的午餐也不是无条件就可以获取的，带上-std=c++11编译时，如果使用STL代码可以享用这份午餐，但如果使用我们以前的老代码发现还是和以前的功能是一样的，那么，如何让我们以前的代码也能得到这个效率的提升呢？
通过交换减少数据的拷贝
为了演示如何在我们的代码中也获取这个性能提升，首先我先写了一个山寨的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();
}
这个vector只能容纳一个元素，但并不妨碍我们的演示，其功能和前面的例子是一样的，运行这段代码，结果如下：
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，仍然有两次拷贝构造。其实前面已经说过交换实现减少拷贝构造的原理，那么，我们可以通过修改 '=' 函数来手动实现这一过程。
const container& operator = (container& other)
{
T* tmp = value;
value = other.value;
other.value = tmp;
return *this;
}
在VC中运行这段代码，发现运行结果和预期一致，
>> create obj
>> copy create obj
---- exit foo ----
但是，gcc中却无法通过编译，原因很简单：gcc期望的赋值函数的参数是const型的，而这里为了交换成员，而不能使用const型。
那么，虽然gcc中不能生效，是否可以说在vc中就可以以这种形式获取性能提升呢？答案是否定的。虽然在这段代码中这么写没有问题，但赋值函数本身是期望复制功能的，而不是交换。例如，修改后下面的运行结果就不对了。
int main()
{
container<obj> k, k2;
k = foo();
//预期结果是复制，但执行了交换
k2 = k;
}
gcc的告警是有道理的：如果 '=' 函数实现的是复制功能，虽然效率低点，但保证了功能正确，但如果实现的是交换的功能，则不能保证功能一定正确。只有当 '=' 函数右边的对象为一个临时变量的时候，由于临时变量会马上被删除掉，此时的交换和复制的效果是一样的。其实VC也应该把这个告警加上才合适。
PS：对临时变量定义和来源不清楚的朋友可以参考一下这篇文章。
现在的问题是：我们无法在赋值函数里区分传入的是一个临时对象还是非临时对象，因此只能执行复制操作。为了解决这一问题，c++中引入了一个新的赋值函数的重载形式：
container& operator = (container&& other)
这个赋值函数通常称为移动赋值函数，和老版本的相比，它有两点区别：
- 入参不是const型，因此它是可以更改入参的值的，从而实现交换操作
- 入参前面有两个&号，这个是C++11引入的新语法，称为右值引用，它的使用方式和普通引用是一样的，唯一的区别是可以指向临时变量。
现在，我们就有两个版本的赋值函数了，C++11在语法级别也做了适应：
- 如果入参是临时变量，则执行移动赋值函数，如果没有定义移动赋值函数，则执行复制赋值函数（以保证老版本代码能编译通过）
- 如果入参不是临时变量，则执行普通的复制赋值函数
现在，我们实现一下山寨版的移动赋值函数：
container& operator = (container&& other)
{
delete value;
value = other.value;
other.value = NULL;
return *this;
}
运行后结果就和我们期望的那样，避免了成员的第二次的拷贝构造。
和移动赋值函数相应的，也有一个一个移动构造函数，也最好实现以下：
container (container&& other)
{
value = other.value;
other.value = NULL;
}
我们也可以实现自己的右值引用版的重载函数，这里就不多介绍了。
注意：本文所示的代码只是为了演示和实现右值引用，力求简洁，并没有写得很完善（一个典型的缺失就是在赋值函数中没有判断入参是否是本身），请不要将其应用于项目中。
完善的版本请看MSDN文章：如何编写一个移动构造函数，其相应的对右值引用的介绍文章Rvalue引用声明:&&也非常值得一读。
通过std::move函数显式使用交换
首先看一下这段代码：
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);
}
}
运行的时候就会发现：虽然我们定义了移动构造函数，但是它仍然会执行拷贝构造函数。这是因为编译器并不认为obj是临时变量。关于什么变量才是临时变量，前文已经给了个链接来说明它，简单的说，我们能够看到的命名变量都不是临时变量。
虽然obj对象不是语言级别的临时变量，但是从功能上来看，它就是一个临时变量，是可以使用移动构造函数来消除拷贝带来的性能损失的。为了解决这一问题，C++提供了一个move函数来把obj变量强制转换为右值引用，这样就可以使用移动构造函数了。
for(int i = 0; i < 3; i++)
{
bigobj obj;
list.push_back(std::move(obj));
}
不过，需要注意的是，和系统识别的临时变量而自动使用右值引用不同，这种强制转换是有一定的风险的，由于在push_back后执行了交换操作，如果再次使用它会出现非预期的结果，只有能确定该变量不会再次被使用才能执行这种转换。
