第18 章探讨 C++新标准 移动语义和右值引用

第18 章探讨 C++新标准 移动语义和右值引用

第18 章探讨 C++新标准 移动语义和右值引用

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• 第18 章探讨 C++新标准 移动语义和右值引用
• 18.2 移动语义和右值引用
• 程序清单18.2 useless.cpp

18.2 移动语义和右值引用

现在介绍本书前面未讨论的主题。C++11支持移动语义，这就提出了一些问题:什么是移动语义?
C++11如何支持它?为何需要移动语义?下面首先讨论第一个问。
18.2.1 为何需要移动语义
先来看 C++11之前的复制过程。假设有如下代码:

vectorsatring> vstri
// build up a vector of 20,000 strings, each of 1000 characters...
vector<string>vstr copyl(vstr);// make vstr copyi a copy of vstr

vector和 string 类都使用动态内存分配，因此它们必须定义使用某种 new 版本的复制构造函数。为初始化对象vstr_copyl，复制构造函数 vcctor将使用new给20000个sting对象分配内存，而每个string对象又将调用 suing的复制构造函数，该构造函数使用new为1000个字符分配内存。接下来，全部20000000 个字符都将从 vstr 控制的内存中复制到vstrcopy控制的内存中。这里的工作量很大，但只要妥当就行。但这确实妥当吗?有时候答案是否定的。例如，假设有一个函数，它返回一个vector对象:

vectorestring>allcaps(const veetorestring>6 vs)
{
vector<string> temp;// code that stores an all-uppercase version of vs in temp
return temp;
}

接下来，假设以下面这种方式使用它:

vector<string> vstr;// build up a vector of 20,000 strings, each of 1000 characters
veetor<string> vstr copyi(vstr};// #3
vectorestring>vstr copy2(allcaps{vstr)};// #2

从表面上看，语句#】和#2类似，它们都使用一个现有的对象初始化一个 vector对象。如果深入探索这些代码，将发现 allcaps()创建了对象tcmp，该对象管理着20000000个字符:vector和string的复制构造函数创建这 20000000个字符的副本，然后程序删除allcaps()返回的临时对象(迟钝的编译器甚至可能将temp复制给一个临时返回对象，删除temp，再删除临时返回对象)。这里的要点是，做了大量的无用功。考虑到临时对象被删除了，如果编译器将对数据的所有权直接转让给vstr_copy2，不是更好吗?也就是说,不将20000000个字符复制到新地方，再删除原来的字符，而将字符留在原来的地方，并将vstr_copy2与之相关联。这类似于在计算机中移动文件的情形:实际文件还留在原来的地方，而只修改记录。这种方法被称为移动语义(movesemantics)。有点悖论的是，移动语义实际上避免了移动原始数据，而只是修改了记录。
要实现移动语义，需要采取某种方式，让编译器知道什么时候需要复制，什么时候不需要。这就是右值引用发挥作用的地方。可定义两个构造函数。其中一个是常规复制构造函数，它使用const左值引用作为参数，这个引用关联到左值实参，如语句#1中的vstr;另一个是移动构造函数，它使用右值引用作为参数，该引用关联到右值实参，如语句#2中 allcaps(vstr)的返回值。复制构造函数可执行深复制，而移动构造函数只调整记录。在将所有权转移给新对象的过程中，移动构造函数可能修改其实参，这意味着右值引用参数不应是const。
18.2.2 一个移动示例
下面通过一个示例演示移动语义和右值引用的工作原理。程序清单 18.2定义并使用了 Uscless 类，这个类动态分配内存，并包含常规复制构造函数和移动构造雨数，其中移动构造函数使用了移动语义和右值引用。为演示流程，构造函数和析构函数都比较啰嗦，同时Useless类还使用了一个静态变量来跟踪对象数量。另外，省略了一些重要的方法，如赋值运算符。

程序清单18.2 useless.cpp

// useless.cpp -- an otherwise useless class with move semantics
#include <iostream>
using namespace std;

// interface
class Useless
{
private:
    int n;          // number of elements
    char * pc;      // pointer to data
    static int ct;  // number of objects
    void ShowObject() const;
public:
    Useless();
    explicit Useless(int k);
    Useless(int k, char ch);
    Useless(const Useless & f); // regular copy constructor
    Useless(Useless && f);      // move constructor
    ~Useless();
    Useless operator+(const Useless & f)const;
// need operator=() in copy and move versions
    void ShowData() const;
};

// implementation
int Useless::ct = 0;

Useless::Useless()
{
    ++ct;
    n = 0;
    pc = nullptr;
    cout << "default constructor called; number of objects: " << ct << endl;
    ShowObject();
}

Useless::Useless(int k) : n(k)
{
    ++ct; 
    cout << "int constructor called; number of objects: " << ct << endl;
    pc = new char[n];
    ShowObject();
}

Useless::Useless(int k, char ch) : n(k)
{
    ++ct;
    cout << "int, char constructor called; number of objects: " << ct << endl;
    pc = new char[n];
    for (int i = 0; i < n; i++)
        pc[i] = ch;
    ShowObject();
}

Useless::Useless(const Useless & f): n(f.n) 
{
    ++ct;
    cout << "copy const called; number of objects: " << ct << endl;
    pc = new char[n];
    for (int i = 0; i < n; i++)
        pc[i] = f.pc[i];
    ShowObject();
}

Useless::Useless(Useless && f): n(f.n) 
{
    ++ct;
    cout << "move constructor called; number of objects: " << ct << endl;
    pc = f.pc;       // steal address
    f.pc = nullptr;  // give old object nothing in return
    f.n = 0;
    ShowObject();
}

Useless::~Useless()
{
    cout << "destructor called; objects left: " << --ct << endl;
    cout << "deleted object:\n";
    ShowObject();
    delete [] pc;
}

Useless Useless::operator+(const Useless & f)const
{
    cout << "Entering operator+()\n";
    Useless temp = Useless(n + f.n);
    for (int i = 0; i < n; i++)
        temp.pc[i] = pc[i];
    for (int i = n; i < temp.n; i++)
        temp.pc[i] = f.pc[i - n];
    cout << "temp object:\n";
    cout << "Leaving operator+()\n";
    return temp;
}

void Useless::ShowObject() const
{ 
    cout << "Number of elements: " << n;
    cout << " Data address: " << (void *) pc << endl;
}

void Useless::ShowData() const
{
    if (n == 0)
        cout << "(object empty)";
    else
        for (int i = 0; i < n; i++)
            cout << pc[i];
    cout << endl;
}

// application
int main()
{
    {
        Useless one(10, 'x');
        Useless two = one;          // calls copy constructor
        Useless three(20, 'o');
        Useless four(one + three);  // calls operator+(), move constructor
        cout << "object one: ";
        one.ShowData();
        cout << "object two: ";
        two.ShowData();
        cout << "object three: ";
        three.ShowData();
        cout << "object four: ";
        four.ShowData();
    }
    // cin.get();
}

其中最重要的是复制构造函数和移动构造函数的定义。首先来看复制构造函数(删除了输出语句);

Useless::Useless(constUseless &f):n(f.n)
++Ct;
pc =new charn];
for(int i=0;i <n; i++)
peli]= f.peli];

它执行深复制，是下面的语句将使用的构造函数:Useless two one;引用f将指向左值对象one。接下来看移动构造函数，这里也删除了输出语句:

Useless::Useless(Useless && f):n(f.n)
//ca11s copy constructor
++Ct;
pC =f.pe;//steal address
f.pe =nullptr;//give old obiect nothing in return
f.n= 0;

它让 pc指向现有的数据，以获取这些数据的所有权。此时，pc和fpc 指向相同的数据，调用析构函数时这将带来麻烦，因为程序不能对同一个地址调用dclete[]两次。为避免这种问题，该构造函数随后将原来的指针设置为空指针，因为对空指针执行deete[]没有问题。这种夺取所有权的方式常被称为窃取pilfering)。上述代码还将原始对象的元素数设置为零，这并非必不可少的，但让这个示例的输出更一致。注意，由于修改了f对象，这要求不能在参数声明中使用const。
在下面的语句中，将使用这个构造函数:

Useless four(one +three)://calls move constructor

表达式 one+three 调用 Useless::operator+O，而右值引用f将关联到该方法返回的临时对象。下面是在Microsoft VisualC++2010中编译时，该程序的输出:

注意到对象two是对象 one 的副本:它们显示的数据输出相同，但显示的数据地址不同(006F4B68 和006F4BB0)。另一方面，在方法Uscess:operator+()中创建的对象的数据地址与对象four 存储的数据地址相同(都是006F4C48)，其中对象four是由移动复制构造函数创建的。另外，注意到创建对象fur 后为临时对象调用了析构函数。之所以知道这是临时对象，是因为其元素数和数据地址都是0。如果使用编译器 g++4.5.0和标记-std=c++11编译该程序(但将nullptr 替换为0)，输出将不同，这很有趣:

注意到没有调用移动构造函数，且只创建了4个对象。创建对象four 时，该编译器没有调用任何构造函数;相反，它推断出对象four 是 operator+()所做工作的受益人，因此将 operator+()创建的对象转到 four的名下。一般而言，编译器完全可以进行优化，只要结果与未优化时相同。即使您省略该程序中的移动构造函数，并使用g++进行编译，结果也将相同。