[C++11] 右值引用和移动语义

mac2024-11-18  7

       c++11引入了右值引用移动语义,通过避免无谓的复制,以提高程序的执行效率。

1、左值与右值

    c++中的数值必属于左值或右值之一,通常有以下方法进行区分:

左值:在赋值语句左侧,右值:在赋值语句右侧左值:表达式结束后仍存在的对象,右值:表达式结束后就不存在的临时变量左值:能够取地址,右值:无法对其取地址

左值引用范例:

int a = 10; int& refA = a; // refA是a的别名, 修改refA就是修改a, a是左值,左移是左值引用 int& b = 1; //编译错误! 1是右值,不能够使用左值引用

右值引用范例:

int&& a = 1; //实质上就是将不具名(匿名)变量取了个别名 int b = 1; int && c = b; //编译错误! 不能将一个左值复制给一个右值引用 class A { public: int a; }; A getTemp() { return A(); } A && a = getTemp(); //getTemp()的返回值是右值(临时变量)

分析:左值引用(T&)只能绑定左值,右值引用(T&&)只能绑定右值,如果绑定的不对,编译就会失败。

特例:常量左值引用(const T&)可以算是一个“万能”的引用类型,它可以绑定非常量左值、常量左值、右值,而且在绑定右值的时候,常量左值引用还可以像右值引用一样将右值的生命期延长,缺点是,只能读不能改。

常量左值范例:

const int & a = 1; //常量左值引用绑定 右值, 不会报错 class A { public: int a; }; A getTemp() { return A(); } const A & a = getTemp(); //不会报错 而 A& a 会报错

2、移动构造和移动赋值

       回顾一下如何用c++实现一个字符串类MyString,MyString内部管理一个C语言的char *数组,这个时候一般都需要实现拷贝构造函数和拷贝赋值函数,因为默认的拷贝是浅拷贝,而指针这种资源不能共享,不然一个析构了,另一个也就完蛋了。

String实现代码:

#include <iostream> #include <cstring> #include <vector> using namespace std; class MyString { public: static size_t CCtor; //统计调用拷贝构造函数的次数 // static size_t CCtor; //统计调用拷贝构造函数的次数 public: // 构造函数 MyString(const char* cstr=0){ if (cstr) { m_data = new char[strlen(cstr)+1]; strcpy(m_data, cstr); } else { m_data = new char[1]; *m_data = '\0'; } } // 拷贝构造函数 MyString(const MyString& str) { CCtor ++; m_data = new char[ strlen(str.m_data) + 1 ]; strcpy(m_data, str.m_data); } // 拷贝赋值函数 =号重载 MyString& operator=(const MyString& str){ if (this == &str) // 避免自我赋值!! return *this; delete[] m_data; m_data = new char[ strlen(str.m_data) + 1 ]; strcpy(m_data, str.m_data); return *this; } ~MyString() { delete[] m_data; } char* get_c_str() const { return m_data; } private: char* m_data; }; size_t MyString::CCtor = 0; int main() { vector<MyString> vecStr; vecStr.reserve(1000); //先分配好1000个空间,不这么做,调用的次数可能远大于1000 for(int i=0;i<1000;i++){ vecStr.push_back(MyString("hello")); } cout << MyString::CCtor << endl; }

分析:

       发现执行了1000次拷贝构造函数,如果MyString("hello")构造出来的字符串本来就很长,构造一遍就很耗时了,最后却还要拷贝一遍,而MyString("hello")只是临时对象,拷贝完就没什么用了,这就造成了没有意义的资源申请和释放操作,如果能够直接使用临时对象已经申请的资源,既能节省资源,又能节省资源申请和释放的时间。而C++11新增加的移动语义就能够做到这一点。

要实现移动语义就必须增加两个函数:移动构造函数和移动赋值构造函数。

// 移动构造函数 MyString(MyString&& str) noexcept :m_data(str.m_data) { MCtor ++; str.m_data = nullptr; //不再指向之前的资源了 } // 移动赋值函数 =号重载 MyString& operator=(MyString&& str) noexcept{ MAsgn ++; if (this == &str) // 避免自我赋值!! return *this; delete[] m_data; m_data = str.m_data; str.m_data = nullptr; //不再指向之前的资源了 return *this; }

      重新执行上述String测试程序,发现调用猎人1000次移动构造函数,而MyString("hello")是个临时对象,是个右值,优先进入移动构造函数而不是拷贝构造函数。而移动构造函数与拷贝构造不同,它并不是重新分配一块新的空间,将要拷贝的对象复制过来,而是"偷"了过来,将自己的指针指向别人的资源,然后将别人的指针修改为nullptr,这一步很重要,如果不将别人的指针修改为空,那么临时对象析构的时候就会释放掉这个资源,"偷"也白偷了。下面这张图可以解释copy和move的区别。

copy和move的区别

      对于一个左值,肯定是调用拷贝构造函数了,但是有些左值是局部变量,生命周期也很短,能不能也移动而不是拷贝呢?C++11为了解决这个问题,提供了std::move()方法来将左值转换为右值,从而方便应用移动语义。我觉得它其实就是告诉编译器,虽然我是一个左值,但是不要对我用拷贝构造函数,而是用移动构造函数吧。。。

int main() { vector<MyString> vecStr; vecStr.reserve(1000); //先分配好1000个空间 for(int i=0;i<1000;i++){ MyString tmp("hello"); vecStr.push_back(tmp); //调用的是拷贝构造函数 } cout << "CCtor = " << MyString::CCtor << endl; cout << "MCtor = " << MyString::MCtor << endl; cout << "CAsgn = " << MyString::CAsgn << endl; cout << "MAsgn = " << MyString::MAsgn << endl; cout << endl; MyString::CCtor = 0; MyString::MCtor = 0; MyString::CAsgn = 0; MyString::MAsgn = 0; vector<MyString> vecStr2; vecStr2.reserve(1000); //先分配好1000个空间 for(int i=0;i<1000;i++){ MyString tmp("hello"); vecStr2.push_back(std::move(tmp)); //调用的是移动构造函数 } cout << "CCtor = " << MyString::CCtor << endl; cout << "MCtor = " << MyString::MCtor << endl; cout << "CAsgn = " << MyString::CAsgn << endl; cout << "MAsgn = " << MyString::MAsgn << endl; } /* 运行结果 CCtor = 1000 MCtor = 0 CAsgn = 0 MAsgn = 0 CCtor = 0 MCtor = 1000 CAsgn = 0 MAsgn = 0 */

举例:

MyString str1("hello"); //调用构造函数 MyString str2("world"); //调用构造函数 MyString str3(str1); //调用拷贝构造函数 MyString str4(std::move(str1)); // 调用移动构造函数、 // cout << str1.get_c_str() << endl; // 此时str1的内部指针已经失效了!不要使用 //注意:虽然str1中的m_dat已经称为了空,但是str1这个对象还活着,知道出了它的作用域才会析构!而不是move完了立刻析构 MyString str5; str5 = str2; //调用拷贝赋值函数 MyString str6; str6 = std::move(str2); // str2的内容也失效了,不要再使用

参考:

1、[c++11]我理解的右值引用、移动语义和完美转发

2、深入理解C++11:C++11新特性解析与应用

3、深入应用C++11:代码优化与工程级应用

4、Effective Modern C++

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