【C++11】move和forward 、左值右值（性能优化之道）

通过std::move，可以避免不必要的拷贝操作。

std::move是为性能而生。

std::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，只是转移，没有内存的搬迁或者内存拷贝。

#include <iostream>
#include <utility>
#include <vector>
#include <string>
int main()
{
    std::string str = "Hello";
    std::vector<std::string> v;
    //调用常规的拷贝构造函数，新建字符数组，拷贝数据
    v.push_back(str);
    std::cout << "After copy, str is \"" << str << "\"\n";
    //调用移动构造函数，掏空str，掏空后，最好不要使用str
    v.push_back(std::move(str));
    std::cout << "After move, str is \"" << str << "\"\n";
    std::cout << "The contents of the vector are \"" << v[0]
                                         << "\", \"" << v[1] << "\"\n";
}

原文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/55856487

move和forward虽然是8年前C++提出的新东西, 但要搞懂还是得费一些精力.

太长不看细节: TL;DR:

(1) 问题: 临时变量copy开销太大

(2) 引入: rvalue, lvalue, rvalue reference概念

(3) 方法: rvalue reference传临时变量, move语义避免copy

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(4) 优化: forward同时能处理rvalue/lvalue reference和const reference

下面是细节了

两个C++的基础背景

C++传值默认是copy
copy开销很大

C++11前的状况: 没法避免临时变量的copy

基于以上背景, C++11以前是没法避免copy临时变量的, 如下面例子, 他们都要经历至少一次复制操作:

func("some temporary string"); //初始化string, 传入函数, 可能会导致string的复制

v.push_back(X()); //初始化了一个临时X, 然后被复制进了vector

a = b + c; //b+c是一个临时值, 然后被赋值给了a

x++; //x++操作也有临时变量的产生

a = b + c + d; //c+d一个临时变量, b+(c+d)另一个临时变量

(这些临时变量在C++11里被定义为rvalue, 右值, 因为没有对应的变量名存他们)

(同时有对应变量名的被称为lvalue, 左值)

案例:

以上copy操作有没有必要呢? 有些地方可不可以省略呢? 我们来看看下面一个案例, 之后我们会用到它来推导出为什么我们需要move和forward:

假如有一个class A, 带有一个set函数, 可以传两个参数赋值class里的成员变量:

class A{...};

void A::set(const string & var1, const string & var2){
  m_var1 = var1;  //copy
  m_var2 = var2;  //copy
}

下面这个写法是没法避免copy的, 因为怎么着都得把外部初始的string传进set函数, 再复制给成员变量:

A a1;
string var1("string1");
string var2("string2");
a1.set(var1, var2); // OK to copy

但下面这个呢? 临时生成了2个string, 传进set函数里, 复制给成员变量, 然后这两个临时string再被回收. 是不是有点多余?

A a1;
a1.set("temporary str1","temporary str2"); //temporary, unnecessary copy

上面复制的行为, 在底层的操作很可能是这样的:

(1)临时变量的内容先被复制一遍

(2)被复制的内容覆盖到成员变量指向的内存

(3)临时变量用完了再被回收

这里能不能优化一下呢? 临时变量反正都要被回收, 如果能直接把临时变量的内容, 和成员变量内容交换一下, 就能避免复制了? 如下:

(1)成员变量内部的指针指向"temporary str1"所在的内存

(2)临时变量内部的指针指向成员变量以前所指向的内存

(3)最后临时变量指向的那块内存再被回收

上面这个操作避免了一次copy的发生, 其实它就是所谓的move语义.

ref: https://stackoverflow.com/questions/3106110/what-are-move-semantics

C++11: 引入rvalue, lvalue和move

那么这个临时变量, 在以前是解决不了了. 为了填这个坑, 蛋疼的C++委员会就说, 不如把C++搞得更复杂一些吧!

于是就引入了rvalue和lvalue的概念, 之前说的那些临时变量就是rvalue. 上面说的避免copy的操作就是std::move

再回到我们的例子:

没法避免copy操作的时候, 还是要用const T&把变量传进set函数里, 现在 T&叫lvalue reference(左值引用)了, 如下:

void set(const string & var1, const string & var2){
  m_var1 = var1;  //copy
  m_var2 = var2;  //copy
}
A a1;
string var1("string1");
string var2("string2");
a1.set(var1, var2); // OK to copy

传临时变量的时候, 可以传T&&, 叫rvalue reference(右值引用), 它能接收rvalue(临时变量), 之后再调用std::move就避免copy了.

void set(string && var1, string && var2){
  //avoid unnecessary copy!
  m_var1 = std::move(var1);  
  m_var2 = std::move(var2);
}
A a1;
//temporary, move! no copy!
a1.set("temporary str1","temporary str2");

新的问题: 避免重复

现在终于能处理临时变量了, 但如果按上面那样写, 处理临时变量用右值引用string &&, 处理普通变量用const引用const string &...

这代码量有点大呀? 每次都至少要写两遍（两个重载函数）, overload一个新的method吗?

回忆一下程序员的核心价值观是什么? 避免重复!

perfect forward (完美转发)

上面说的各种情况, 包括传const T &, T &&, 都可以由以下操作代替:

template<typename T1, typename T2>
void set(T1 && var1, T2 && var2){
  m_var1 = std::forward<T1>(var1);
  m_var2 = std::forward<T2>(var2);
}

//when var1 is an rvalue, std::forward<T1> equals to static_cast<[const] T1 &&>(var1)
//when var1 is an lvalue, std::forward<T1> equals to static_cast<[const] T1 &>(var1)

forward能转发下面所有的情况:

[const] T &[&]

也就是:

const T &
T &
const T &&
T &&

那么forward就是上面一系列操作的集大成者.

如果外面传来了rvalue临时变量, 它就转发rvalue并且启用move语义.

如果外面传来了lvalue, 它就转发lvalue并且启用复制. 然后它也还能保留const.

这样就能完美转发(perfect forwarding)所有情况了.

那我们有了forward为什么还要用move?

技术上来说, forward确实可以替代所有的move.

但还有一些问题:

首先, forward常用于template函数中, 使用的时候必须要多带一个template参数T: forward<T>, 代码略复杂;

还有, 明确只需要move的情况而用forward, 代码意图不清晰, 其他人看着理解起来比较费劲.

更技术上来说, 他们都可以被static_cast替代. 为什么不用static_cast呢? 也就是为了读着方便易懂.

ref: https://stackoverflow.com/questions/28828159/usage-of-stdforward-vs-stdmove

总结

到这里, move和forward为什么会出现, 有什么用就彻底搞明白了. 其实也就是引入了好几个复杂概念, 来填临时变量的一个坑.

ref: http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2006/n2027.html n2027.html