一文看懂C++右值參考和移動語意

背景

C++11引入了右值參考，它也是C++11最重要的新特性之一，原因在于它解決了C++的一大歷史遺留問題，即消除了很多場景下的不必要的額外開銷，即使你的代碼中并不直接使用右值參考，也可以通過標準庫，間接地從這一特性中收益，為了更好地理解該特性帶來的優化，以及幫助我們實作更高效的程式，我們有必要了解一下有關右值參考的意義，

什么是右值參考

右值

在引入右值的概念前，我們不妨先看看左值，一句話加以概括：左值就是等號左邊的值；同理，右值也就是等號右邊的值，舉個例子：int a = 2;

這里的a是等號左邊，可以通過取址符&來獲取地址，所以是一個左值，而5在等號右邊，無法通過取址符&來獲取地址，所以只一個右值，

右值參考

左值參考是對于左值的參考或者叫別名，同樣地，右值參考也就是對于右值的參考，語法也很簡單，就是在左值參考的語法之上在多加一個&，寫成型別 &&右值參考名 = 右值;的形式即可，比如：

int &&a = 5;
a = 6;
string s1 = "hello";
string &&s2 = s1 + s1;
s2 += s1;

上述簡單例子，展示了右值參考的基本用法，不過通常情況下，右值參考更多的是被用于處理函式引數，比如：

struct Student {
    Student(Student &&s);
};

為什么要使用右值參考

在C++11之前，很多C++程式里存在大量的臨時物件，又稱無名物件，主要出現在如下場景：

函式的回傳值
用戶自定義型別經過一些計算后產生的臨時物件
值傳遞的形參

先說函式的回傳值，最常見的型別就是某些回傳用戶自定義型別的時候，如果沒有將其復制，就會產生臨時物件，比如：

Student func1();	// 回傳一個Student物件
...
func1();			// 呼叫了func1創建了一個Student物件，但是沒有使用，于是編譯器創建了一個臨時物件來進行存盤

然后是某些計算操作后產生的臨時物件，比如：

Complex result = c1 + c2 + c3;	// 編譯器先計算c1 + c2的結果，并產生一個臨時物件temp來存盤結果，然后計算temp + c3的結果，然后將結果復制給result

還有值傳遞的方式的形參，例如：

void func(Student s);	// 值傳遞
...
Student stu;
func(stu);	// 這里相當于是做了一次復制操作	Student s(stu);

而且這些臨時物件隨著生命周期的結束，編譯器還會呼叫一次解構式，隨著這些操作次數的增加，或者當臨時變數是個很大的型別時，這無疑會極大提高程式的開銷，從而降低程式的效率，

C++11之后，隨著右值參考的出現，可以有效的解決這些問題，通過move和移動構造，移動賦值運算子函式來獲得臨時物件的所有權，從而避免拷貝帶來的額外開銷，提高程式效率

移動構造

我們都知道，由于C++11之前，如果沒有手動宣告，編譯器會給一個用于自定義型別（包括class和struct）自動生成的4個函式，分別是建構式，拷貝建構式，賦值運算子多載函式和解構式，雖然通過傳參考的方式，可以避免物件的復制，但是還是沒法避免上述的臨時物件的復制，而移動語意成功的解決的這個問題，

在C++11之后，編譯器自動生成的函式中又新增了2個，它們就是移動構造和移動賦值運算子多載函式，通過它們，我們可以很好地實作對用戶自定義型別的移動操作，而移動的本質就是獲取臨時物件的所有權，而不是通過復制的方式來獲得，直接看代碼：

class Foo {
public:
    Foo(Foo &&rhs) : ptr_(rhs.ptr_) {
        delete rhs.ptr_;
    }
    
    Foo &operator(Foo &&rhs) {
        if (*this != rhs) {
            ptr_ = rhs.ptr_;
            delete rhs.ptr_;
        }
        return *this;
    }
    
private:
    int *ptr_;
};

Foo類多載了移動建構式和移動賦值運算多載函式，使得Foo獲得了移動的能力，當我們在面對產生臨時的物件的時候，編譯器就會根據傳入的引數是左值還是右值來選擇呼叫拷貝還是移動，如果是右值，就呼叫移動構造或移動賦值運算子函式，當Foo是一個很大的物件時候，就會極大的降低開銷，提高程式效率，

move的應用場景

通過上述例子，我們可以看到移動并不是說完全沒有開銷，甚至有的時候開銷并不一定比拷貝低，具體還是要看臨時物件的大小和型別決定，例如：

vector<vector<int>> func() {
    vector<vector<int>> result;
    for (...) {
        vector<int> temp;
        ...
        temp.emplace_back(move(5));			// 沒必要，直接傳就行了
        ...
        result.emplace_back(move(temp));	// ok，移動代替拷貝操作，提高了效率
    }
    return result;
}

STL的大部分組件都支持移動語意，比如vector，string等即可以通過move轉換右值后呼叫移動建構式進行移動操作來避免深拷貝，還有一些類是只允許移動，不允許拷貝，從而更讓設計更符合邏輯，比如unique_ptr

move的原理

move函式的原始碼并不復雜：

template<class _Ty> 
inline _CONST_FUN typename remove_reference<_Ty>::type&& move(_Ty&& _Arg) _NOEXCEPT {
    return (static_cast<typename remove_reference<_Ty>::type&&>(_Arg));
}

我們可以一眼看到，move的實作其實就做了一件事，如果是左值，就通過static_cast將傳進來的引數強轉為右值并回傳；如果是右值，甚至不用轉換，直接回傳，

右值移動的注意事項

和左值移動一樣，都需要直接初始化
右值參考無法指向左值，除非使用move將其轉成右值，否則編譯報錯
當物件是基本型別的時候，沒必要呼叫move，因為拷貝的開銷可能還不如函式呼叫的開銷大，尤其是在回圈內的時候，需要仔細考慮
move并不會一定真的能移動，它只是將左值強轉成右值，只有當該用戶自定義型別多載了移動構造和移動運算子多載函式時才會進行移動操作
現代編譯在處理回傳值的時候，通常都會進行回傳值優化，尤其是標準庫的組件，使用move來接識訓傳值反而會增加開銷
移動之后的物件就被析構，所以通常是對一些臨時物件，或者不再使用的物件進行移動操作，如果還要繼續使用該物件，就要使用拷貝而不是移動操作
右值參考變數本身是個左值，如果想要右值參考指向右值參考，需要使用move轉成右值
const 左值參考也可以指向右值，但是無法進行修改

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