CHAPTER 5 右值引用，移动语意，完美转发

优质

小牛编辑

120浏览

2023-12-01

当你第一次了解到移动语义和完美转发的时候，它们看起来非常直观:

移动语义使编译器有可能用廉价的移动操作来代替昂贵的复制操作。正如复制构造函数和复制赋值操作符给了你赋值对象的权利一样，移动构造函数和移动赋值操作符也给了控制移动语义的权利。移动语义也允许创建只可移动(move-only)的类型，例如std::unique_ptr, std::future 和 std::thread。
完美转发使接收任意数量参数的函数模板成为可能，它可以将参数转发到其他的函数，使目标函数接收到的参数与被传递给转发函数的参数保持一致。

右值引用是连接这两个截然不同的概念的胶合剂。它隐藏在语言机制之下，使移动语义和完美转发变得可能。

你对这些特点(features)越熟悉，你就越会发现，你的初印象只不过是冰山一角。移动语义、完美转发和右值引用的世界比它所呈现的更加微妙。举个例子，std::move并不移动任何东西，完美转发也并不完美。移动操作并不永远比复制操作更廉价；即便如此，它也并不总是像你期望的那么廉价。而且，它也并不总是被调用，即使在当移动操作可用的时候。构造type&&也并非总是代表一个右值引用。

无论你挖掘这些特性有多深，它们看起来总是还有更多隐藏起来的部分。幸运的是，它们的深度总是有限的。本章将会带你到最基础的部分。一旦到达，C++11的这部分特性将会具有非常大的意义。比如，你会掌握std::move和sd::forward的惯用法。你能够对type&&的歧义性质感到舒服。你会理解移动操作的令人惊奇的不同代价的背后真相。这些片段都会豁然开朗。在这一点上，你会重新回到一开始的状态，因为移动语义、完美转发和右值引用都会又一次显得直截了当。但是这一次，它们不再使人困惑。

在本章的这些小节中，非常重要的一点是要牢记参数(parameter)永远是左值(lValue)，即使它的类型是一个右值引用。比如，假设

void f(Widget&& w);

参数w是一个左值，即使它的类型是一个Widget的右值引用(如果这里震惊到你了，请重新回顾从本书第二页开始的关于左值和右值的总览。)

Item 23: 理解std::move和std::forward

为了了解std::move和std::forward，一种有用的方式是从它们不做什么这个角度来了解它们。std::move不移动(move)任何东西，std::forward也不转发(forward)任何东西。在运行期间(run-time)，它们不做任何事情。它们不产生任何可执行代码，一字节也没有。

std::move和std::forward仅仅是执行转换(cast)的函数（事实上是函数模板）。std::move无条件的将它的参数转换为右值，而std::forward只在特定情况满足时下进行转换。它们就是如此。这样的解释带来了一些新的问题，但是从根本上而言，这就是全部内容。

为了使这个故事更加的具体，这里是一个C++11的std::move的示例实现。它并不完全满足标准细则，但是它已经非常接近了。

template <typename T>                       //in namespace std
typename remove_reference<T>::type&&
move(T&& param)
{
    using ReturnType =                      // alias declaration;
    typename remove_reference<T>::type&&;   // 见 Item 9

    return static_cast<ReturnType>(param);
}

我为你们高亮了这段代码的两部分（译者注：markdown不支持代码段内高亮。高亮的部分为move和static_cast）。一个是函数名字，因为函数的返回值非常具有干扰性。而且我不想你们被它搞得晕头转向。另外一个高亮的部分是包含这段函数的本质的转换。正如你所见，std::move接受一个对象的引用（准确的说，一个通用引用(universal reference)，后见Item 24)，返回一个指向同对象的引用。

该函数返回类型的&&部分表明std::move函数返回的是一个右值引用，但是，正如Item 28所解释的那样，如果类型T恰好是一个左值引用，那么T&&将会成为一个左值引用。为了避免如此，类型萃取器（type trait，见Item 9)std::remove_reference应用到了类型T上，因此确保了&&被正确的应用到了一个不是引用的类型上。这保证了std::move返回的真的是右值引用，这很重要，因为函数返回的右值引用是右值（rvalues)。因此，std::move将它的参数转换为一个右值，这就是它的全部作用。

此外，std::move在C++14中可以被更简单地实现。多亏了函数返回值类型推导（见Item 3)和标准库的模板别名std::remove_reference_t（见Item 9)，std::move可以这样写：

template <typename T>
decltype(auto) move(T&& param)          //C++14;still in namesapce std
{
    using ReturnType = remove_referece_t<T>&&;
    return static_cast<ReturnType>(param);
}

看起来更简单，不是吗？

因为std::move除了转换它的参数到右值以外什么也不做，有一些提议说它的名字叫rvalue_cast可能会更好。虽然可能确实是这样，但是它的名字已经是std::move，所以记住std::move做什么和不做什么很重要。它其实并不移动任何东西。

当然，右值本来就是移动操作的侯选者，所以对一个对象使用std::move就是告诉编译器，这个对象很适合被移动。所以这就是为什么std::move叫现在的名字: 更容易指定可以被移动的对象。

事实上，右值只不过经常是移动操作的候选者。假设你有一个类，它用来表示一段注解。这个类的构造函数接受一个包含有注解的std::string作为参数，然后它复制该参数到类的数据成员（data member)。假设你了解Item 41,你声明一个值传递(by value)的参数:

class Annotation {
public:
    explicit Annotation(std::string text);  //将会被复制的参数
    ...                                     //如同 Item 41,
};                                          //值传递

但是Annotation类的构造函数仅仅是需要读取参数text的值，它并不需要修改它。为了和历史悠久的传统：能使用const就使用const保持一致，你修订了你的声明以使text变成const，

class Annotation {
public:
    explicit Annotation(const std::string text);
    ...
};

当复制参数text到一个数据成员的时候，为了避免一次复制操作的代价，你仍然记得来自Item 41的建议，把std::move应用到参数text上，因此产生一个右值，

class Annotation {
public:
    explicit Annotation(const std::string text)
    ：value(std::move(text))    //"move" text到value上；这段代码执行起来
                                //并不如看起来那样
    {...}
    ...

    private:
        std::string value;
};

这段代码可以编译，可以链接，可以运行。这段代码将数据成员value设置为text的值。这段代码与你期望中的完美实现的唯一区别，是text并不是被移动到value，而是被复制。诚然，text通过std::move被转换到右值，但是text被声明为const std::string，所以在转换之前，text是一个左值的const std::string，而转换的结果是一个右值的const std::string，但是纵观全程，const属性一直保留。

当编译器决定哪一个std::string的构造函数被构造时，考虑它的作用，将会有两种可能性。

class string {                  //std::string事实上是
    public:                     //std::basic_string<char>的类型别名
    ...
    string(const string& rhs); //复制构造函数
    string(string&& rhs);       //移动构造函数
}

在类Annotation的构造函数的成员初始化列表(member initialization list)中，std::move(text)的结构是一个const std::string的右值。这个右值不能被传递给std::string的移动构造函数，因为移动构造函数只接受一个指向非常量(non-const)std::string的右值引用。然而，该右值却可以被传递给std::string的复制构造函数，因为指向常量的左值引用允许被绑定到一个常量右值上。因此，std::string在成员初始化的过程中调用了复制构造函数，即使text已经被转换成了右值。这样是为了确保维持常量属性的正确性。从一个对象中移动（Moving)出某个值通常代表着修改该对象，所以语言不允许常量对象被传递给可以修改他们的函数（例如移动构造函数）。

从这个例子中，可以总结出两点。第一，不要在你希望能移动对象的时候，声明他们为常量。对常量对象的移动请求会悄无声息的被转化为复制操作。第二点，std::move不仅不移动任何东西，而且它也不保证它执行转换的对象可以被移动。关于std::move，你能确保的唯一一件事就是将它应用到一个对象上，你能够得到一个右值。

关于std::forward的故事与std::move是相似的，但是与std::move总是无条件的将它的参数转换为右值不同，std::forward只有在满足一定条件的情况下才执行转换。std::forward是有条件的转换。要明白什么时候它执行转换，什么时候不，想想std::forward的典型用法。最常见的情景是一个模板函数，接收一个通用引用参数(universal reference parameter)，并将它传递给另外的函数：

void process(const Widget& lvalArg);  //左值处理
void process(Widget&& rvalArg);         //右值处理

template <typename T>               //用以转发参数到process的模板
void logAndProcess(T&& param)
{
    auto now =                      //获取现在时间
        std::chrono::system_clock::now();
    makeLogEntry("calling 'process'",now);
    process(std::forward<T>(param));
}

考虑两次对logAndProcess的调用，一次左值为参数，一次右值为参数，

Widget w;

logAndProcess(w);               //call with lvalue
logAndProcess(std::move(w));    //call with rvalue

在logAndProcess函数的内部，参数param被传递给函数process。函数process分别对左值和右值参数做了重载。当我们使用左值来调用logAndProcess时，自然我们期望该左值被当作左值转发给process函数，而当我们使用右值来调用logAndProcess函数时，我们期望process函数的右值重载版本被调用。

但是参数param，正如所有的其他函数参数一样，是一个左值。每次在函数logAndProcess内部对函数process的调用，都会因此调用函数process的左值重载版本。为防如此，我们需要一种机制(mechanism) : 当且仅当传递给函数logAndProcess的用以初始化参数param的值是一个右值时，参数param会被转换为有一个右值。这就是为什么std::forward是一个有条件的转换：它只把由右值初始化的参数，转换为右值。

你也许会想知道std::forward是怎么知道它的参数是否是被一个右值初始化的。举个例子，在上述代码中，std::forward是怎么分辨参数param是被一个左值还是右值初始化的？简短的说，该信息藏在函数logAndProcess的模板参数T中。该参数被传递给了函数std::forward，它解开了含在其中的信息。该机制工作的细节可以查询 Item 28.

考虑到std::move和std::forward都可以归结于转换，他们唯一的区别就是std::move总是执行转换，而std::forward偶尔为之。你可能会问是否我们可以免于使用std::move而在任何地方只使用std::forward。从纯技术的角度，答案是yes: std::forward是可以完全胜任，std::move并非必须。当然，其实两者中没有哪一个函数是真的必须的，因为我们可以到处直接写转换代码，但是我希望我们能同意：这将相当的，嗯，让人恶心。

std::move的吸引力在于它的便利性：减少了出错的可能性，增加了代码的清晰程度。考虑一个类，我们希望统计有多少次移动构造函数被调用了。我们只需要一个静态的计数器(static counter)，它会在移动构造的时候自增。假设在这个类中，唯一一个非静态的数据成员是std::string，一种经典的移动构造函数（例如，使用std::move)可以被实现如下:

class Widget{
public:
    Widget(Widget&& rhs)
    : s(std::move(rhs.s))
    {
        ++moveCtorCalls;
    }
private:
    static std::size_t moveCtorCalls;
    std::string s;
}

如果要用std::forward来达成同样的效果，代码可能会看起来像

class Widget{
public:
    Widget(Widget&& rhs)                    //不自然，不合理的实现
    : s(std::forward<std::string>(rhs.s))
    {
        ++moveCtorCalls;
    }
    ...
}

注意，第一，std::move只需要一个函数参数(rhs.s)，而std::forward不但需要一个函数参数(rhs.s)，还需要一个模板类型参数std::string。其次，我们转发给std::forward的参数类型应当是一个非引用(non-reference)，因为传递的参数应该是一个右值（见 Item 28)。同样，这意味着std::move比起std::forward来说需要打更少的字，并且免去了传递一个表示我们正在传递一个右值的类型参数。同样，它根绝了我们传递错误类型的可能性，（例如，std::string&可能导致数据成员s被复制而不是被移动构造）。

更重要的是，std::move的使用代表着无条件向右值的转换，而使用std::forward只对绑定了右值的引用进行到右值转换。这是两种完全不同的动作。前者是典型地为了移动操作，而后者只是传递（亦作转发）一个对象到另外一个函数，保留它原有的左值属性或右值属性。因为这些动作实在是差异太大，所以我们拥有两个不同的函数（以及函数名）来区分这些动作。

记住：

std::move执行到右值的无条件的转换，但就自身而言，它不移动任何东西。
std::forward只有当它的参数被绑定到一个右值时，才将参数转换为右值。
std::move和std::forward在运行期什么也不做。