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05 右值引用、移动语义和完美转发

优质
小牛编辑
134浏览
2023-12-01
  • 移动语义使编译器可以用开销较低的移动操作替换昂贵的拷贝操作（但不是所有情况下移动都会比拷贝快），是 move-only 类型对象的支持基础
  • 完美转发可以将某个函数模板的实参转发给其他函数，转发后的实参保持完全相同的值类型（左值、右值）
  • 右值引用是移动语义和完美转发的实现基础，它引入了一种新的引用符号（&&）来区别于左值引用
  • 这些名词很直观，但概念上容易与名称类似的函数混淆
    • 移动操作的函数要求传入的实参是右值，无法传入左值，因此需要一个能把左值转换为右值的办法，这就是 std::move 做的事。std::move 本身不进行移动，只是将实参强制转换为右值，以允许把转换的结果传给移动函数
    • 完美转发指的是，将函数模板的实参转发给另一个函数，同时保持实参传入给模板时的值类型（传入的实参是左值则转发后仍是左值，是右值则转发后仍是右值）。如果不做任何处理的话，不论是传入的是左值还是右值，在传入之后都会变为左值，因此需要一个转换到右值的操作。std::move 可以做到这点，但它对任何类型都会一视同仁地转为右值。这就需要一个折衷的办法，对左值实参不处理，对右值实参（传入后会变为左值）转换为右值，这就是 std::foward 所做的事
    • 如果要表示参数是右值，则需要引入一种区别于左值的符号，这就是右值引用符号（&&）。右值引用即只能绑定到右值的引用，但其本身是左值（引用都是左值）。它只是为了区别于左值引用符号（&）而引入的一种符号标记
    • 在模板中，带右值引用符号（T&&）并不表示一定是右值引用（这种不确定类型的引用称为转发引用），因为模板参数本身可以带引用符号（int&），此时为了使结果合法（int& && 是不合法的），就引入了引用折叠机制（int& && 折叠为 int&）

23 std::move 和 std::forward 只是一种强制类型转换

  • std::move 不完全符合标准的实现如下
template<typename T>
decltype(auto) move(T&& x)
{
  using ReturnType = remove_reference_t<T>&&;
  return static_cast<ReturnType>(x);
}

void f(int&&)
{
  std::cout << 1;
}

void f(const int&)
{
  std::cout << 2;
}

const int i = 1;
f(std::move(i)); // 2
  • 这可能导致的一个问题是，传入右值却执行拷贝操作
class A {
 public:
  explicit A(const std::string x)
  : s(std::move(x)) {} // 转为 const std::string&&，调用 std::string(const std::string&)
 private:
  std::string s;
};

class A {
 public:
  explicit A(std::string x)
  : s(std::move(x)) {} // 转为 std::string&&，调用 std::string(std::string&&)
 private:
  std::string s;
};
  • C++11 之前的转发很简单
void f(int&) { std::cout << 1; }
void f(const int&) { std::cout << 2; }

// 用多个重载转发给对应版本比较繁琐
void g(int& x)
{
  f(x);
}

void g(const int& x)
{
  f(x);
}

// 同样的功能可以用一个模板替代
template<typename T>
void h(T& x)
{
  f(x);
}

int main()
{
  int a = 1;
  const int b = 1;

  g(a); h(a); // 11
  g(b); h(b); // 22
  g(1); // 2
  h(1); // 错误
}
  • C++11 引入了右值引用，但原有的模板无法转发右值。如果使用 std::move 则无法转发左值，因此为了方便引入了 std::forward
void f(int&) { std::cout << 1; }
void f(const int&) { std::cout << 2; }
void f(int&&) { std::cout << 3; }

// 用多个重载转发给对应版本比较繁琐
void g(int& x)
{
  f(x);
}

void g(const int& x)
{
  f(x);
}

void g(int&& x)
{
  f(std::move(x));
}

// 同样可以用一个模板来替代上述功能
template<typename T>
void h(T&& x)
{
  f(std::forward<T>(x)); // 注意 std::forward 的模板参数是 T
}

int main()
{
  int a = 1;
  const int b = 1;

  g(a); h(a); // 11
  g(b); h(b); // 22
  g(std::move(a)); h(std::move(a)); // 33
  g(1); h(1); // 33
}

h(std::forward<int>(a)); // 3
h(std::move(a)); // 3
  • 结合可变参数模板，完美转发可以转发任意数量的实参
template<typename... Ts>
void f(Ts&&... args)
{
  g(std::forward<Ts>(args)...); // 把任意数量的实参转发给 g
}

24 转发引用与右值引用的区别

  • 带右值引用符号不一定就是右值引用，这种不确定类型的引用称为转发引用
template<typename T>
void f(T&&) {} // T&&不一定是右值引用

int a = 1;
f(a); // T 推断为 int&，T&& 是 int& &&，折叠为 int&，是左值引用
f(1); // T 推断为 int，T&& 是 int&&，右值引用
auto&& b = a; // int& b = a，左值引用
auto&& c = 1; // int&& c = 1，右值引用
  • 转发引用必须严格按 T&& 的形式涉及类型推断
template<typename T>
void f(std::vector<T>&&) {} // 右值引用而非转发引用

std::vector<int> v;
f(v); // 错误

template<typename T>
void g(const T&&) {} // 右值引用而非转发引用

int i = 1;
g(i); // 错误
  • T&& 在模板中也可能不涉及类型推断
template<class T, class Allocator = allocator<T>>
class vector {
 public:
  void push_back(T&& x); // 右值引用

  template <class... Args>
  void emplace_back(Args&&... args); // 转发引用
  ...
};

std::vector<A> v; // 实例化指定了 T

// 对应的实例化为
class vector<A, allocator<A>> {
 public:
  void push_back(A&& x); // 不涉及类型推断，右值引用

  template <class... Args>
  void emplace_back(Args&&... args); // 转发引用
  ...
};
  • auto&& 都是转发引用，因为一定涉及类型推断。完美转发中，如果想在转发前修改要转发的值，可以用 auto&& 存储结果，修改后再转发
template<typename T>
void f(T x)
{
  auto&& res = doSomething(x);
  doSomethingElse(res);
  set(std::forward<decltype(res)>(res));
}
  • lambda 中也可以使用完美转发
auto f = [](auto&& x) { return g(std::forward<decltype(x)>(x)); };

// 转发任意数量实参
auto f = [](auto&&... args) {
  return g(std::forward<decltype(args)>(args)...);
};

25 对右值引用使用 std::move，对转发引用使用 std::forward

  • 右值引用只会绑定到可移动对象上，因此应该使用 std::move。转发引用用右值初始化时才是右值引用，因此应当使用 std::forward
class A {
 public:
  A(A&& rhs) : s(std::move(rhs.s)), p(std::move(rhs.p)) {}

  template<typename T>
  void f(T&& x)
  {
    s = std::forward<T>(x);
  }
 private:
  std::string s;
  std::shared_ptr<int> p;
};

class A {
 public:
  A() = default;
  A(const A&) { std::cout << 1; }
  A(A&&) { std::cout << 2; }
};

class B {
 public:
  B() {}
  B(const B&) noexcept { std::cout << 3; }
  B(B&&) noexcept { std::cout << 4; }
};

int main()
{
  A a;
  A a2 = std::move_if_noexcept(a); // 1
  B b;
  B b2 = std::move_if_noexcept(b); // 4
}
  • 如果返回对象传入时是右值引用或转发引用，在返回时要用 std::move 或 std::forward 转换。返回类型不需要声明为引用，按值传递即可
A f(A&& a)
{
  doSomething(a);
  return std::move(a);
}

template<typename T>
A g(T&& x)
{
  doSomething(x);
  return std::forward<T>(x);
}
  • 返回局部变量时，不需要使用 std::move 来优化
A makeA()
{
  A a;
  return std::move(a); // 画蛇添足
}
  • 局部变量会直接创建在为返回值分配的内存上，从而避免拷贝，这是 C++ 标准诞生时就有的 RVO（return value optimization）。RVO 的要求十分严谨，它要求局部对象类型与返回值类型相同，且返回的就是局部对象本身，而使用了 std::move 反而不满足 RVO 的要求。此外 RVO 只是种优化，编译器可以选择不采用，但标准规定，即使编译器不省略拷贝，返回对象也会被作为右值处理，所以 std::move 是多余的
A makeA()
{
  return A{};
}

auto x = makeA(); // 只需要调用一次 A 的默认构造函数

26 避免重载使用转发引用的函数

  • 如果函数参数接受左值引用，则传入右值时执行的仍是拷贝
std::vector<std::string> v;

void f(const std::string& s)
{
  v.emplace_back(s);
}

// 传入右值，执行的依然是拷贝
f(std::string("hi"));
f("hi");
  • 让函数接受转发引用即可解决此问题
std::vector<std::string> v;

template<typename T>
void f(T&& s)
{
  v.emplace_back(std::forward<T>(s));
}

// 现在传入右值时变为移动操作
f(std::string("hi"));
f("hi");
  • 但如果重载这个转发引用版本的函数，就会导致新的问题
std::vector<std::string> v;

template<typename T>
void f(T&& s)
{
  v.emplace_back(std::forward<T>(s));
}

std::string makeString(int n)
{
  return std::string("hi");
}

void f(int n) // 新的重载函数
{
  v.emplace_back(makeString(n));
}

// 之前的调用仍然正常
f(std::string("hi"));
f("hi");
// 对于重载版本的调用也没问题
f(1); // 调用重载版本
// 但对于非int（即使能转换到 int）参数就会出现问题
unsigned i = 1;
f(i); // 转发引用是比 int 更精确的匹配
// 为std::vector<std::string> 传入 short，用 short 构造 std::string 导致错误
  • 转发引用几乎可以匹配任何类型，因此应该避免对其重载。此外，如果在构造函数中使用转发引用，会导致拷贝构造函数不能被正确匹配
std::string makeString(int n)
{
  return std::string("hi");
}

class A {
 public:
  A() = default;
  template<typename T>
  explicit A(T&& n) : s(std::forward<T>(n)) {}

  explicit A(int n) : s(makeString(n)) {}
 private:
  std::string s;
};

unsigned i = 1;
A a(i); // 依然调用模板而出错，但还有一个更大的问题
A b("hi"); // OK
A c(b); // 错误：调用的仍是模板，用 A 初始化 std::string 出错
  • 模板构造函数不会阻止合成拷贝和移动构造函数（会阻止合成默认构造函数），上述问题的实际情况如下
class A {
 public:
  template<typename T>
  explicit A(T&& n) : s(std::forward<T>(n)) {}

  A(const A& rhs) = default;
  A(A&& rhs) = default;
 private:
  std::string s;
};

A a("hi"); // OK
A b(a); // 错误：调用的仍是模板，用 A 初始化 std::string 出错
// 传入的是 A&，T&& 比 const A& 更匹配
const A c("hi");
A d(c); // OK
  • 上述问题在继承中会变得更为复杂，如果派生类的拷贝和移动操作调用基类的构造函数，同样会匹配到使用了转发引用的模板，从而导致编译错误
class A {
 public:
  template<typename T>
  explicit A(T&& n) : s(std::forward<T>(n)) {}
 private:
  std::string s;
};

class B : public A {
 public:
  B(const B& rhs) : A(rhs) {} // 错误：调用基类模板而非拷贝构造函数，const B 不能转为 std::string
  B(B&& rhs) : A(std::move(rhs)) noexcept {} // 错误：调用基类模板而非移动构造函数，B 不能转为 std::string
};

27 重载转发引用的替代方案

  • 上述问题的最直接解决方案是，不使用重载。其次是使用 C++98 的做法，不使用转发引用
class A {
 public:
  template<typename T>
  explicit A(const T& n) : s(n) {}
 private:
  std::string s;
};

A a("hi");
A b(a); // OK
  • 直接按值传递也是一种简单的方式，而且解决了之前的问题
std::string makeString(int n)
{
  return std::string("hi");
}

class A {
 public:
  explicit A(std::string n) : s(std::move(n)) {}
  explicit A(int n) : s(makeString(n)) {}
 private:
  std::string s;
};

unsigned i = 1;
A a(i); // OK，调用 int 版本的构造函数
  • 不过上述方法实际上是规避了使用转发引用，下面是几种允许转发引用的重载方法

标签分派（tag dispatching）

  • 标签分派的思路是，额外引入一个参数来打破转发引用的万能匹配
std::vector<std::string> v;

template<typename T>
void g(T&& s, std::false_type)
{
  v.emplace_back(std::forward<T>(s));
}

std::string makeString(int n)
{
  return std::string("hi");
}

void g(int n, std::true_type)
{
  v.emplace_back(makeString(n));
}

template<typename T>
void f(T&& s)
{
  g(std::forward<T>(s), std::is_integral<std::remove_reference_t<T>>());
}

unsigned i = 1;
f(i); // OK：调用 int 版本

使用std::enable_if在特定条件下禁用模板

  • 标签分派用在构造函数上不太方便，这时可以使用 std::enable_if，它可以强制编译器在满足特定条件时禁用模板
class A {
 public:
  template<typename T, typename =
    std::enable_if_t<!std::is_same_v<A, std::decay_t<T>>>>
  explicit A(T&& n) {}
 private:
  std::string s;
};
  • 但这只是在参数具有和类相同的类型时禁用模板，派生类调用基类的构造函数时，派生类和基类也是不同类型，不会禁用模板，因此还需要使用 std::is_base_of
class A {
 public:
  template<typename T, typename =
    std::enable_if_t<!std::is_base_of_v<A, std::decay_t<T>>>>
  explicit A(T&& n) {}
 private:
  std::string s;
};

class B : public A {
 public:
  B(const B& rhs) : A(rhs) {} // OK：不再调用模板
  B(B&& rhs) : A(std::move(rhs)) noexcept {} // OK：不再调用模板
};
  • 接着在参数为整型时禁用模板，即可解决之前的所有问题
std::string makeString(int n)
{
  return std::string("hi");
}

class A {
 public:
  template<typename T, typename =
    std::enable_if_t<!std::is_base_of_v<A, std::decay_t<T>>
    && !std::is_integral_v<std::remove_reference_t<T>>>>
  explicit A(T&& n) : s(std::forward<T>(n)) {}

  explicit A(int n) : s(makeString(n)) {}
 private:
  std::string s;
};

unsigned i = 1;
A a(1); // OK：调用 int 版本的构造函数
A b("hi"); // OK
A c(b); // OK
  • 为了更方便调试，可以用 static_assert 预设错误信息，这个错误信息将在不满足预设条件时出现在诊断信息中
std::string makeString(int n)
{
  return std::string("hi");
}

class A {
 public:
  template<typename T, typename =
    std::enable_if_t<!std::is_base_of_v<A, std::decay_t<T>>
    && !std::is_integral_v<std::remove_reference_t<T>>>>
  explicit A(T&& n) : s(std::forward<T>(n))
  {
    static_assert(std::is_constructible_v<std::string, T>,
      "Parameter n can't be used to construct a std::string");
  }

  explicit A(int n) : s(makeString(n)) {}
 private:
  std::string s;
};

28 引用折叠

  • 引用折叠会出现在四种语境中：模板实例化、auto 类型推断、decltype 类型推断、typedef 或 using 别名声明
  • 引用的引用是非法的
int a = 1;
int& & b = a; // 错误
  • 当左值传给接受转发引用的模板时，模板参数就会推断为引用的引用
template<typename T>
void f(T&&);

int i = 1;
f(i); // T为int&，T& &&变成了引用的引用，于是需要引用折叠的机制
  • 为了使实例化成功，编译器生成引用的引用时，将使用引用折叠的机制，规则如下
& + & → &
& + && → &
&& + & → &
&& + && → &&

// 不完整的实现
template<typename T>
T&& forward(remove_reference_t<T>& x)
{
  return static_cast<T&&>(x); // 如果传递左值 A，T 推断为 A&，此时需要引用折叠
}

// 传递左值 A 时相当于
A& && forward(remove_reference_t<A&>& x)
{
  return static_cast<A& &&>(x);
}
// 简化后
A& forward(A& x)
{
  return static_cast<A&>(x);
}

// 传递右值 A 相当于
A&& forward(remove_reference_t<A>& x)
{
  return static_cast<A&&>(x);
}
// 简化后
A&& forward(A& x)
{
  return static_cast<A&&>(x);
}
  • auto&& 与使用转发引用的模板原理一样
int a = 1;
auto&& b = a; // a 是左值，auto 被推断为 int&，int& && 折叠为 int&
  • decltype 同理，如果推断中出现了引用的引用，就会发生引用折叠
  • 如果在 typedef 的创建或求值中出现了引用的引用，就会发生引用折叠
template<typename T>
struct A {
  using RvalueRef =  T&&; // typedef T&& RvalueRef;
};

int a = 1;
A<int&>::RvalueRef b = a; // int& && 折叠为 int&，int& b = a
  • 并且 top-level cv 限定符会被丢弃
using A = const int&; // low-level
using B = int&&; // low-level
static_assert(std::is_same_v<volatile A&&, const int&>);
static_assert(std::is_same_v<const B&&, int&&>);

29 移动不比拷贝快的情况

  • 在如下场景中，C++11 的移动语义没有优势
    • 无移动操作：待移动对象不提供移动操作，移动请求将变为拷贝请求
    • 移动不比拷贝快：待移动对象虽然有移动操作，但不比拷贝操作快
    • 移动不可用：本可以移动时，要求移动操作不能抛异常，但未加上 noexcept 声明
  • 除了上述情况，还有一些特殊场景无需使用移动语义，比如之前提到的 RVO
  • 移动不一定比拷贝代价小得多。比如 std::array 实际是带 STL 接口的内置数组。不同于其他容器的是，其他容器把元素存放于堆上，自身只持有一个指向堆内存的指针，移动容器时只需要移动指针，在常数时间内即可完成移动

  • 而 std::array自身存储了内容，没有这样的指针，移动或拷贝对元素逐个执行，需要线性时间复杂度，所以移动并不比拷贝快多少

  • 另一个移动不一定比拷贝快的例子是 std::string，一种实现是使用small string optimization（SSO），在字符串很小时（一般是15字节）存储在自身内部，而不使用堆上分配的内存，因此对小型字符串的移动并不比拷贝快

30 无法完美转发的类型

  • 用相同实参调用原函数和转发函数，如果两者执行不同的操作，则称完美转发失败。完美转发失败源于模板类型推断不符合预期，会导致这个问题的类型包括：大括号初始化值、作为空指针的 0 和 NULL、只声明但未定义的整型 static const 数据成员、重载函数的名称和函数模板名称、位域

大括号初始化

void f(const std::vector<int>& v) {}

template<typename T>
void fwd(T&& x)
{
  f(std::forward<T>(x));
}

f({ 1, 2, 3 }); // OK，{1, 2, 3} 隐式转换为 std::vector<int>
fwd({ 1, 2, 3 }); // 无法推断 T，导致编译错误

// 解决方法是借用 auto 推断出 std::initializer_list 类型再转发
auto x = { 1, 2, 3 };
fwd(x); // OK

作为空指针的 0 或 NULL

  • 0 和 NULL 作为空指针传递给模板时，会推断为 int 而非指针类型
void f(int*) {}

template<typename T>
void fwd(T&& x)
{
  f(std::forward<T>(x));
}

fwd(NULL); // T推断为int，转发失败

只声明但未定义的 static const 整型数据成员

  • 类内的 static 成员的声明不是定义，如果 static 成员声明为 const，则编译器会为这些成员值执行 const propagation，从而不需要为它们保留内存。对整型 static const 成员取址可以通过编译，但会导致链接期的错误。转发引用也是引用，在编译器生成的机器代码中，引用一般会被当成指针处理。程序的二进制代码中，从硬件角度看，指针和引用的本质相同
class A {
 public:
  static const int n = 1; // 仅声明
};

void f(int) {}

template<typename T>
void fwd(T&& x)
{
  f(std::forward<T>(x));
}

f(A::n); // OK：等价于 f(1)
fwd(A::n); // 错误：fwd 形参是转发引用，需要取址，无法链接
  • 但并非所有编译器的实现都有此要求，上述代码可能可以链接。考虑到移植性，最好还是提供定义
// A.h
class A {
 public:
  static const int n = 1;
};

// A.cpp
const int A::n;

重载函数的名称和函数模板名称

  • 如果转发的是函数指针，可以直接将函数名作为参数，函数名会转换为函数指针
void g(int) {}

void f(void(*pf)(int)) {}

template<typename T>
void fwd(T&& x)
{
  f(std::forward<T>(x));
}

f(g); // OK
fwd(g); // OK
  • 但如果要转发的函数名对应多个重载函数，则无法转发，因为模板无法从单独的函数名推断出函数类型
void g(int) {}
void g(int, int) {}

void f(void(*)(int)) {}

template<typename T>
void fwd(T&& x)
{
  f(std::forward<T>(x));
}

f(g); // OK
fwd(g); // 错误：不知道转发的是哪一个函数指针
  • 转发函数模板名称也会出现同样的问题，因为函数模板可以看成一批重载函数
template<typename T>
void g(T x)
{
  std::cout << x;
}

void f(void(*pf)(int)) { pf(1); }

template<typename T>
void fwd(T&& x)
{
  f(std::forward<T>(x));
}

f(g); // OK
fwd(g<int>); // 错误
  • 要让转发函数接受重载函数名称或模板名称，只能手动指定需要转发的重载版本或模板实例。不过完美转发本来就是为了接受任何实参类型，而要传入的函数指针类型一般是未知的
template<typename T>
void g(T x)
{
  std::cout << x;
}

void f(void(*pf)(int)) { pf(1); }

template<typename T>
void fwd(T&& x)
{
  f(std::forward<T>(x));
}

using PF = void(*)(int);
PF p = g;
fwd(p); // OK
fwd(static_cast<PF>(g)); // OK

位域

  • 转发引用也是引用，实际上需要取址，但位域不允许直接取址
struct A {
  int a : 1;
  int b : 1;
};

void f(int) {}

template<typename T>
void fwd(T&& x)
{
  f(std::forward<T>(x));
}

A x{};
f(x.a); // OK
fwd(x.a); // 错误
  • 实际上接受位域实参的函数也只能收到位域值的拷贝，因此不需要使用完美转发，换用传值或传 const 引用即可。完美转发中也可以通过强制转换解决此问题，虽然转换的结果是一个临时对象的拷贝而非原有对象，但位域本来就无法做到真正的完美转发
fwd(static_cast<int>(x.a)); // OK
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