C++黑魔法系列2: lvalue, move constructor, copy and swap

1. 左值和右值

最最直观的例子就是：

a = 1;

a是左值，1是右值。实际上左值和右值的概念不是如此直白的。

历史

左值和右值最初是在CPL中引入的，表示“赋值之左”和“赋值之右”

在C中，lvalue指定义object的expression，全名为locator value

到了C++，lvalue加入了函数，并且规定ref能绑定到左值，但是const ref才能绑定到右值

概念

C++中expression有两个属性

type：比如int, float

value category：在C++11中，表达了expression的两种独立性质：

有identity：能否确定和另外一个expression指向同一实体。

匿名对象、通过隐式函数转换的对象是没有identity的，在上个例子中，a有identity

能移动：该expression能否支持移动语意

可以参考shared_ptr的概念，如果通过赋值，可以转移资源，那么就是可移动的

通过这两个性质，可以将expression分成lvalue, xvalue, prvalue

lvalue：有identity，不可移动，可以多态，可以取地址

xvalue：有identity，可被移动，可以多态

prvalue：无identity，可被移动，不能多态，不能有cv限定符（const或volatile），必须有完整类型

有identity表达式的统称为glvalue(generalized lvalue泛左值)表达式

可被移动的表达式统称为rvalue表达式

lvalue

任何变量&函数名

返回type &的函数调用（包含a=b, ++a, *p, a
,

static_cast<int&>(x)

）

字符串

返回函数的右值引用的函数调用（

static_cast<void (&&)(int)>(x)

）

a.m, p->m, 除去m为enum或非静态成员函数

prvalue

除字符串以外的值（1, true）

返回type的函数调用（a+b, a++, &a,

static_cast<double>(x)

， (int)42）

a.m, p->m, m为enum或非静态成员函数

this指针

lambda表达式（

[](int x){ return x * x; }

）

xvalue

返回type&&类型的函数调用（

static_cast<char&&>(x)

）

a是右值时，a.m, a

move constructor

C++11引入的move constructor就是为右值而设立的。

RVO & NRVO

首先我们来看看下面的代码会发生什么：

string f()
{
string tmp("123");
return tmp;
}
string s(f());

首先：构造tmp

第二步：在调用f()的地方，用tmp的值拷贝构造临时对象

第三步：用临时对象的值拷贝构造s

第四步：析构tmp

第五步：析构临时对象

会调用一个constructor以及两个copy constructor。

实际上，这里会使用RVO（return value optimization）优化，可以在编译阶段消除这个临时的string对象，以及拷贝构造函数的调用。

实际运行代码可能如下：

//伪代码
string after_rvo_f(string & ret)
{
string tmp("123");
ret.string::string(tmp); //copy ctor
return;
}

此时，将s作为参数传入f中，消除了临时对象的创建，优化过后，只会调用一个copy constructor。

类似的，还有NRVO（named return value optimization），它也是RVO的变种，它可以进一步消除。例如前面的函数f会被优化，优化后运行代码如下：

// 伪代码 after nrvo
string after_nrvo_f(string & ret)
{
ret.string::string("123"); //ctor
return;
}

在vs release下运行时，只有一个constructor调用；

但是在vs里debug模式下运行时，并不会开启NRVO。

此时，由于g()的返回值是一个prvalue，会优先使用move constructor，而不是copy constructor。结合RVO，实际代码如下：

//伪代码
string actural_debug_g(string & ret)
{
tmp.string::string("123");          // ctor
ret.string::string(string && tmp);  // move ctor
return;
}

copy elision

在C++17中，强制规定了copy elision。可以强制编译器忽略copy constructor和move constructor。

copy elision包括：

RVO

string fun()
{
string s = string("123");   // string("123")是prvalue
// 初始化s时不会调用copy assignment，只会初始化string一次
return s;                   // 从s到临时结果对象会用到NRVO（非copy elision）
// 如果没有，则调用move constructor
}
string res = fun();             // fun()返回的临时结果对象是prvalue
// 初始化res时不会调用copy assignment

对value类型的参数，用prvalue传入时，不会调用copy constructor

void h(string s) {...};
h(string());            // string()返回的是prvalue，
// 初始化h时不会调用copy constructor，只会初始化string一次

按value捕获的异常

move constructor

move的开销比RVO大，比copy小。RVO不仅会节省一个copy constructor，也会省去一个临时变量的destructor的开销。

当用右值初始化对象时，会调用move constructor（如果定义了），包含：

1. 初始化：T a = std::move(b); T a(std::move(b));

2. 函数参数传递：f(std::move(b)); 有void f(T)

3. 函数返回：T f() 中的 return a;（在没有开启NRVO时）

std::move的本质是一个强制类型转换，将T转为T&&

move constructor的参数是rvalue，它会做以下几件事：

1. 把old object的资源“偷”到new object里

2. 把old object的资源指针重置

string(string && str)
{
data = str.data;
str.data = NULL;
}

记住：不要显示的使用std::move，因为这样编译器就没法使用RVO了。如果允许RVO，return by value！

string bad_move1()
{
string tmp("123");
return std::move(tmp);   //violate copy elision
}

string&& bad_move2()
{
string tmp("123");
return std::move(tmp);   //return a reference of destruted tmp.
}

rule of 3

任何实现了destructor, copy constructor, copy assignment其中之一的类可能需要实现另外的两个。

这常常出现于资源的管理类，这种类需要处理资源释放、深拷贝等问题。

如果使用系统默认的copy constructor和copy assignment，memberwise的拷贝可能会多次释放同一资源；

类似的，如果不实现destructor，可能会造成内存泄漏。

rule of 5（实际上是4）

在引入了move constructor以后，rule of 3可以扩展为rule of 5:

任何实现了destructor, copy constructor, copy assignment, move constructor, move assignment其中之一的类可能需要实现另外的四个。

move constructor, move assignment的作用主要是优化深拷贝带来的性能开销。

这五个的函数签名如下：

copy constructor:

A(const A& other)

copy assignment:

A& operator=(const A& other)

move constructor:

A(A && other)

move assignment:

A& operator=(A&& other)

destructor:

~A()

rule of 0

我个人的理解是，如果一个类不需要管理资源，那么它就不需要实现destructor, copy constructor, copy assignment, move constructor, move assignment中的任何一个。

C++11规定，如果定义了move constructor，那么必须自己定义copy constructor。这么做有一部分原因是为了向前兼容，从C++11才有的move constructor，这样不需要修改太多代码。

同时，C++11规定，如果定义了destructor，那么默认的move constructor是deprecated的，在未来某个版本可能会删掉。

copy and swap idiom

最后一个议题是如何写copy constructor, copy assignment, move constructor, move assignment。

copy constructor

copy constructor需要注意点有：

深拷贝

空间不够抛异常

copy assignment

需要注意的点有：

删除旧值

自赋值

深拷贝

空间不够异常

copy and swap会做以下事情：

1. 利用copy constructor，创建一个other副本作为参数传入

2. 然后swap this和副本other的内容，此时，this存放了other的深拷贝，other存放了this的旧值

3. 函数返回，此时存放旧值的other被析构

A& operator=(A other)
{
swap(other);
return *this;
}

swap只是简单的将成员的ownership转换，不需要创建或者销毁任何东西。

深拷贝的问题在传入参数的地方由copy constructor搞定；

空间不够异常的情况下，发生在other副本创建的时候，不会对=右边的对象产生影响；

自赋值的情况下，会多一个拷贝构造一个析构的开销，除此以外不会有其他问题。

move constructor

move constructor只需要调用swap函数即可

A(A&& other)
{
swap(other);
}

move assignment

有了copy assignment以后，我们不需要再定义move assignment了。为什么？

考虑以下语句

A a1 = a2

如果a2是个lvalue，则会调用copy constructor创建副本other。这时，other无论如何修改，都和a2无关

如果a2是个rvalue，C++11则会调用move constructor创建副本other。这时，a2的内容已被“移动”至other中，接下来swap时，这些内容又会进一步被“移动”至a1里。

recall rule of 5, now it’s rule of 4

参考资料

1. http://en.cppreference.com/w/cpp/language/value_categoryx

2. http://www.cnblogs.com/kex1n/archive/2010/05/26/2286488.html

3. https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms364057(v=vs.80).aspx

4. https://www.ibm.com/developerworks/community/blogs/5894415f-be62-4bc0-81c5-3956e82276f3/entry/RVO_V_S_std_move?lang=en

5. https://stackoverflow.com/questions/4986673/c11-rvalues-and-move-semantics-confusion-return-statement?lq=1

6. https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms364057(v=vs.80).aspx

7. http://en.cppreference.com/w/cpp/language/move_constructor

8. https://stackoverflow.com/questions/12953127/what-are-copy-elision-and-return-value-optimization/12953145#12953145

9. http://en.cppreference.com/w/cpp/language/copy_elision

10. http://en.cppreference.com/w/cpp/language/rule_of_three

11. https://stackoverflow.com/questions/11255027/why-user-defined-move-constructor-disables-the-implicit-copy-constructor

12. https://stackoverflow.com/questions/3279543/what-is-the-copy-and-swap-idiom

13. https://stackoverflow.com/questions/3106110/what-are-move-semantics