C++ 11 中的右值引用

右值引用的功能

首先,我并不介绍什么是右值引用,而是以一个例子里来介绍一下右值引用的功能:

首先我们编译一下这个函数,运行结果如下:

可以看到,对obj对象执行了两次构造。vector是一个常用的容器了,我们可以很容易的分析这这两次拷贝构造的时机:

  1. foo函数第二行,调用push_back的时候,会在vector里建立一个obj的副本
  2. main函数第二行,执行复制函数的时候,会把foo()返回的对象全部复制过来,再次执行一次拷贝构造

由于对象的拷贝构造的开销是非常大的,因此我们想就可能避免他们。其中,第一次拷贝构造是vector的特性所决定的,不可避免。但第二次拷贝构造,在C++ 11中就是可以避免的了。

可以看到,我们除了加上了一个-std=c++11选项外,什么都没干,但现在就把第二次的拷贝构造给去掉了。它是如何实现这一过程的呢?

在老版本中,当我们执行第二行的赋值操作的时候,执行过程如下:

  1. foo()函数返回一个临时对象(这里用~tmp来标识它)
  2. 执行vector的 ‘=’ 函数,将对象k中的现有成员删除,将~tmp的成员复制到k中来
  3. 删除临时对象~tmp

在C++11的版本中,执行过程如下:

  1. foo()函数返回一个临时对象(这里用~tmp来标识它)
  2. 执行vector的 ‘=’ 函数,将对象k中的成员~tmp的成员互换,此时k中的成员就被替换成了~tmp中的成员。
  3. 删除临时对象~tmp(此时就删除了以前的k中的成员)

关键的过程就是第2步,它不是复制而是交换,从而避免的成员的拷贝,但效果却是一样的。不用修改代码,性能却得到了提升,对于程序员来说就是一份免费的午餐。

但是,这份免费的午餐也不是无条件就可以获取的,带上-std=c++11编译时,如果使用STL代码可以享用这份午餐,但如果使用我们以前的老代码发现还是和以前的功能是一样的,那么,如何让我们以前的代码也能得到这个效率的提升呢?

通过交换减少数据的拷贝

为了演示如何在我们的代码中也获取这个性能提升,首先我先写了一个山寨的vector:

这个vector只能容纳一个元素,但并不妨碍我们的演示,其功能和前面的例子是一样的,运行这段代码,结果如下:

如前所述,仍然有两次拷贝构造。其实前面已经说过交换实现减少拷贝构造的原理,那么,我们可以通过修改 ‘=’ 函数来手动实现这一过程。

在VC中运行这段代码,发现运行结果和预期一致,

但是,gcc中却无法通过编译,原因很简单:gcc期望的赋值函数的参数是const型的,而这里为了交换成员,而不能使用const型。

那么,虽然gcc中不能生效,是否可以说在vc中就可以以这种形式获取性能提升呢?答案是否定的。虽然在这段代码中这么写没有问题,但赋值函数本身是期望复制功能的,而不是交换。例如,修改后下面的运行结果就不对了。

gcc的告警是有道理的:如果 ‘=’ 函数实现的是复制功能,虽然效率低点,但保证了功能正确,但如果实现的是交换的功能,则不能保证功能一定正确。只有当 ‘=’ 函数右边的对象为一个临时变量的时候,由于临时变量会马上被删除掉,此时的交换和复制的效果是一样的。其实VC也应该把这个告警加上才合适。

PS:对临时变量定义和来源不清楚的朋友可以参考一下这篇文章

现在的问题是:我们无法在赋值函数里区分传入的是一个临时对象还是非临时对象,因此只能执行复制操作。为了解决这一问题,c++中引入了一个新的赋值函数的重载形式:

这个赋值函数通常称为移动赋值函数,和老版本的相比,它有两点区别:

  1. 入参不是const型,因此它是可以更改入参的值的,从而实现交换操作
  2. 入参前面有两个&号,这个是C++11引入的新语法,称为右值引用,它的使用方式和普通引用是一样的,唯一的区别是可以指向临时变量。

现在,我们就有两个版本的赋值函数了,C++11在语法级别也做了适应:

  • 如果入参是临时变量,则执行移动赋值函数,如果没有定义移动赋值函数,则执行复制赋值函数(以保证老版本代码能编译通过)
  • 如果入参不是临时变量,则执行普通的复制赋值函数

现在,我们实现一下山寨版的移动赋值函数:

和移动赋值函数相应的,也有一个一个移动构造函数,也最好实现以下:

我们也可以实现自己的右值引用版的重载函数,这里就不多介绍了。

注意:本文所示的代码只是为了演示和实现右值引用,力求简洁,并没有写得很完善(一个典型的缺失就是在赋值函数中没有判断入参是否是本身),请不要将其应用于项目中。

完善的版本请看MSDN文章:如何编写一个移动构造函数,其相应的对右值引用的介绍文章Rvalue引用声明:&&也非常值得一读。

通过std::move函数显式使用交换

首先看一下这段代码:

运行的时候就会发现:虽然我们定义了移动构造函数,但是它仍然会执行拷贝构造函数。这是因为编译器并不认为obj是临时变量。关于什么变量才是临时变量,前文已经给了个链接来说明它,简单的说,我们能够看到的命名变量都不是临时变量。

虽然obj对象不是语言级别的临时变量,但是从功能上来看,它就是一个临时变量,是可以使用移动构造函数来消除拷贝带来的性能损失的。为了解决这一问题,C++提供了一个move函数来把obj变量强制转换为右值引用,这样就可以使用移动构造函数了。

不过,需要注意的是,和系统识别的临时变量而自动使用右值引用不同,这种强制转换是有一定的风险的,由于在push_back后执行了交换操作,如果再次使用它会出现非预期的结果,只有能确定该变量不会再次被使用才能执行这种转换。

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