理解std::move是如何工作的

本文深入探讨C++中的右值引用与移动语义,解释如何利用这些特性提高程序效率,尤其是在容器管理和智能指针使用方面。

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关于右值引用:

(1)右值引用通过&&来获得右值引用,一个重要的性质:只能绑定到一个将要被销毁的对象上,因此我们可以自由的将一个右值引用的资源“移动”到另一个对象中。

(2)不能将一个右值引用直接绑定到一个左值上。

(3)左值持久,右值短暂:
考察左值和右值表达式列表,两者区别就很明显了:左值有持久的状态,而右值要么是字面常量,要么是在表达式求值过程中创建的临时对象。
由于右值只能绑定到临时对象,我们得知:
  1. 所引用的对象将要被销毁
  2. 该对象没有其他用户
这两个性质意味着,使用右值引用的代码可以自由的接管所引用对象的资源

(4)对象移动
新标准一个重要的特性就是可以移动而非拷贝对象的能力。在其中某些情况下,对象拷贝后就立即被销毁了,在这些情况下,移动而非拷贝对象会大幅度提升性能。
比如说常用的序列式容器vector数组,是一种典型的不必要拷贝的例子。在重新分配内存的过程中,从旧内存将元素拷贝到新内存是不必要的。更好的方式是移动元素。使用移动而不是拷贝的另一个原因源于IO类或unique_ptr这样的类。这些类都包含不能被共享的资源(如指针或IO缓冲),因此这些类的对象不能拷贝但可以移动。如果对象比较大,进行拷贝的代价比较大。
注:标准库容器、string和shared_ptr类既支持移动也支持拷贝。IO类和unique_ptr类可以移动但不能拷贝。

(5)虽然不能将一个右值引用直接绑定到一个左值上,但是我们可以显示的将一个左值转换为对应的右值引用类型。名为move的标准库函数来获得绑定到左值上引用。如
int &&rr3 = std::move(rr1); //ok
这样的话,就等于告诉编译器,我们有一个左值,但我们希望像一个右值一样处理它。我们必须认识到,调用move就意味着除了对rr1赋值或销毁意外,将不能再使用它。调用move之后,不能对移动后源对象做任何假设。

(6)当用于一个指向模板实参类型的右值引用函数参数(T&&)时,std::forward会保持实参类型的所有细节

关于移动构造函数:
(1)对象移动
新标准一个重要的特性就是可以移动而非拷贝对象的能力。在其中某些情况下,对象拷贝后就立即被销毁了,在这些情况下,移动而非拷贝对象会大幅度提升性能。
比如说常用的序列式容器vector数组,是一种典型的不必要拷贝的例子。在重新分配内存的过程中,从旧内存将元素拷贝到新内存是不必要的。更好的方式是移动元素。使用移动而不是拷贝的另一个原因源于IO类或unique_ptr这样的类。这些类都包含不能被共享的资源(如指针或IO缓冲),因此这些类的对象不能拷贝但可以移动。如果对象比较大,进行拷贝的代价比较大。
注:标准库容器、string和shared_ptr类既支持移动也支持拷贝。IO类和unique_ptr类可以移动但不能拷贝。

(2)虽然不能将一个右值引用直接绑定到一个左值上,但是我们可以显示的将一个左值转换为对应的右值引用类型。名为move的标准库函数来获得绑定到左值上引用。如
int &&rr3 = std::move(rr1); //ok
这样的话,就等于告诉编译器,我们有一个左值,但我们希望像一个右值一样处理它。我们必须认识到,调用move就意味着除了对rr1赋值或销毁意外,将不能再使用它。调用move之后,不能对移动后源对象做任何假设。

(3)除了完成资源移动,移动构造函数(移动赋值运算符)还必须确保移后源对象应该处于可析构状态,因为一旦资源完成移动,源对象将不再指向被移动的资源,这些资源的归属权已经属于新创建的对象。由于移动操作是“窃取”资源,它通常不分配任何资源,因此移动操作不会抛出异常。当编写一个不抛出异常的移动操作时,我们应该将此事通知给标准库,除非标准库知道我们的移动操作不抛出任何异常,否则她会认为移动我们的源对象时可能会抛出异常,并且会为了处理这种异常而坐一些额外性的工作。

(4)只有当类没有定义任何自己版本的拷贝控制成员且它的所有非static数据成员都能移动构造和移动赋值的时候编译器才为其合成移动构造函数或移动赋值运算符。



std::move工作原理:

(1)用std::move可以获得一个绑定到左值上的右值引用。由于move本质上可以接受任何类型的实参,因此他是一个模板。

(2)标准库是这样定义std::move的:
//remove_reference是为了萃取类型的类型转化模板
template <typename T>
tylename remove_reference<T>::type && move(T&& t) {
return std::static_cast<typename remove_reference<T>::type&&>(t);
}
通过引用折叠,此参数可以与任何类型的实参匹配,既可以传递给move一个左值引用也可以传右值引用,如:
string s1("hi"), s2;
s2 = std::move(string("bye1!"));//正确,从一个右值移动数据
s2 = std::move(s1);//正确,但赋值之后,s1的值是不确定的。

1)针对std::move(string("bye1!")); 传入的已经是右值引用
  1. 函数模板推断出T的类型为string
  2. 因此,remove_reference用string进行实例化
  3. remove_reference<string>的 type成员是string
  4. move的返回类型是string&&move的函数参数t的类型是string&&
因此等价于:
string&& move(string&& t);
函数体返回static_cast<string&&>(t),由于t的类型已经是右值引用,因此无需进行任何转化。

2)针对std::move(s1); 传入的就是一个左值
  1. 函数模板推断出T的类型是string&(因为string& &&才能折叠为string&)
  2. 因此,remove_reference用string&进行实例化
  3. remove_reference<string>的 type成员是string
  4. move的返回类型是string&&
  5. move的函数参数t的类型是string& &&,会折叠为string&
因此等价于:
string&& move(string& t);
函数体返回static_cast<string&&>(t),这里t的类型是string&,通过static_cast将其转化为string&&
在C++中,`std::move` 和 `std::forward` 是两个与模板类型推导和引用折叠规则密切相关的工具,它们主要用于优化资源管理和泛型编程。 ### `std::move` 的用途 `std::move` 主要用于将一个对象转换为右值引用,从而允许资源的移动而非复制。这在处理大型对象时尤其有用,因为它可以避免不必要的深拷贝操作,提高性能。例如,在使用 `std::shared_ptr` 时,可以通过 `std::make_shared` 来创建一个智能指针,这样可以减少内存分配次数并提高效率[^1]。 ```cpp std::shared_ptr<int> p3 = std::make_shared<int>(10); ``` ### `std::forward` 的用途 `std::forward` 用于完美转发,即在模板函数中将参数以原始类型的方式传递给另一个函数。这对于保持参数的左值或右值特性非常重要,特别是在实现通用库函数时。完美转发通常与万能引用(universal references)一起使用,通过模板类型推导来保持参数的原始特性。 ```cpp template<typename T> void forward_example(T&& arg) { some_function(std::forward<T>(arg)); } ``` ### `std::move` 与 `std::forward` 的区别 - **用途不同**:`std::move` 主要用于移动语义,而 `std::forward` 用于完美转发。 - **作用对象不同**:`std::move` 通常作用于具名变量,将其转换为右值引用;而 `std::forward` 通常用于模板参数,保持其左值或右值特性。 - **实现机制不同**:`std::move` 实际上是静态_cast到T&&的简写,而 `std::forward` 则根据模板参数的类型来决定是进行左值引用还是右值引用。 ### 示例代码 以下是一个简单的例子,展示了 `std::move` 和 `std::forward` 的使用: ```cpp #include <iostream> #include <utility> #include <vector> class MyClass { public: MyClass() { std::cout << "Constructor\n"; } MyClass(const MyClass&) { std::cout << "Copy Constructor\n"; } MyClass(MyClass&&) noexcept { std::cout << "Move Constructor\n"; } }; void useMyClass(MyClass mc) { // Do something with mc } int main() { MyClass mc; // Using std::move to invoke move constructor MyClass mc2 = std::move(mc); // Should print "Move Constructor" // Using std::forward in a generic context std::vector<MyClass> vec; MyClass mc3; vec.push_back(std::forward<MyClass>(mc3)); // Should print "Copy Constructor" return 0; } ``` 在这个例子中,`std::move` 被用来显式调用移动构造函数,而 `std::forward` 在 `push_back` 操作中被用来保持 `mc3` 的左值特性。 ### 总结 `std::move` 和 `std::forward` 都是C++11引入的重要特性,它们分别解决了资源移动和完美转发的问题。理解它们的区别和应用场景对于编写高效、现代的C++代码至关重要。
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