個人覺得最核心的變化是右值引用的引入，右值引用是 ?C++ 走向現(xiàn)代化的最重要一步。建議每一位 C++ 開發(fā)者都應(yīng)該深入去了解并充分使用它。

右值引用是 C++11 中最重要的新特性之一，它解決了 C++ 中大量的歷史遺留問題，使 C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫的實現(xiàn)在多種場景下消除了不必要的額外開銷（如?std::vector,?std::string)，也使得另外一些標(biāo)準(zhǔn)庫（如?std::unique_ptr,?std::function）成為可能。即使你并不直接使用右值引用，也可以通過標(biāo)準(zhǔn)庫，間接從這一新特性中受益。為了更好地理解標(biāo)準(zhǔn)庫結(jié)合右值引用帶來的優(yōu)化，我們有必要了解一下右值引用的重大意義。

右值引用的意義通常解釋為兩大作用：移動語義和完美轉(zhuǎn)發(fā)。本文主要討論移動語義。

一、移動語義

移動語義，簡單來說解決的是各種情形下對象的資源所有權(quán)轉(zhuǎn)移的問題。而在 C++11 之前，移動語義的缺失是 C++ 飽受詬病的問題之一。

舉個例子。

問題一：如何將大象放入冰箱？

答案是眾所周知的。首先你需要有一臺特殊的冰箱，這臺冰箱是為了裝下大象而制造的。你打開冰箱門，將大象放入冰箱，然后關(guān)上冰箱門。

問題二：如何將大象從一臺冰箱轉(zhuǎn)移到另一臺冰箱？

普通解答：

打開冰箱門，取出大象，關(guān)上冰箱門，打開另一臺冰箱門，放進(jìn)大象，關(guān)上冰箱門。

2B 解答：

在第二個冰箱中啟動量子復(fù)制系統(tǒng)，克隆一只完全相同的大象，然后啟動高能激光將第一個冰箱內(nèi)的大象氣化消失。

等等，這個 2B 解答聽起來很耳熟，這不就是 C++ 中要移動一個對象時所做的事情嗎？

“移動”，這是一個三歲小孩都明白的概念。將大象（資源）從一臺冰箱（對象）移動到另一臺冰箱，這個行為是如此自然，沒有任何人會采用先復(fù)制大象，再銷毀大象這樣匪夷所思的方法。C++ 通過拷貝構(gòu)造函數(shù)和拷貝賦值操作符為類設(shè)計了拷貝/復(fù)制的概念，但為了實現(xiàn)對資源的移動操作，調(diào)用者必須使用先復(fù)制、再析構(gòu)的方式。否則，就需要自己實現(xiàn)移動資源的接口。

為了實現(xiàn)移動語義，首先需要解決的問題是，如何標(biāo)識對象的資源是可以被移動的呢？這種機(jī)制必須以一種最低開銷的方式實現(xiàn)，并且對所有的類都有效。C++ 的設(shè)計者們注意到，大多數(shù)情況下，右值所包含的對象都是可以安全的被移動的。

右值（相對應(yīng)的還有左值）是從 C 語言設(shè)計時就有的概念，但因為其如此基礎(chǔ)，也是一個最常被忽略的概念。不嚴(yán)格的來說，左值對應(yīng)變量的存儲位置，而右值對應(yīng)變量的值本身。C++ 中右值可以被賦值給左值或者綁定到引用。類的右值是一個臨時對象，如果沒有被綁定到引用，在表達(dá)式結(jié)束時就會被廢棄。于是我們可以在右值被廢棄之前，移走它的資源進(jìn)行廢物利用，從而避免無意義的復(fù)制。被移走資源的右值在廢棄時已經(jīng)成為空殼，析構(gòu)的開銷也會降低。

右值中的數(shù)據(jù)可以被安全移走這一特性使得右值被用來表達(dá)移動語義。以同類型的右值構(gòu)造對象時，需要以引用形式傳入?yún)?shù)。右值引用顧名思義專門用來引用右值，左值引用和右值引用可以被分別重載，這樣確保左值和右值分別調(diào)用到拷貝和移動的兩種語義實現(xiàn)。對于左值，如果我們明確放棄對其資源的所有權(quán)，則可以通過std::move()來將其轉(zhuǎn)為右值引用。std::move()實際上是?static_cast()?的簡單封裝。

右值引用至少可以解決以下場景中的移動語義缺失問題：

1.按值傳入?yún)?shù)

按值傳參是最符合人類思維的方式。基本的思路是，如果傳入?yún)?shù)是為了將資源交給函數(shù)接受者，就應(yīng)該按值傳參。同時，按值傳參可以兼容任何的?cv-qualified?左值、右值，是兼容性最好的方式。

class?People?{
public:
????//?按值傳入字符串，可接收左值、右值。
????//?接收左值時為復(fù)制，接收右值時為移動
????People(string?name)?
????????:?name_(move(name))?//?顯式移動構(gòu)造，將傳入的字符串移入成員變量
????{
????}
????string?name_;
};

People?a("Alice");?//?移動構(gòu)造name

string?bn?=?"Bob";
People?b(bn);?//?拷貝構(gòu)造name

構(gòu)造a時，調(diào)用了一次字符串的構(gòu)造函數(shù)和一次字符串的移動構(gòu)造函數(shù)。如果使用?const string& name?接收參數(shù)，那么會有一次構(gòu)造函數(shù)和一次拷貝構(gòu)造，以及一次?non-trivial?的析構(gòu)。盡管看起來很蛋疼，盡管編譯器還有優(yōu)化，但從語義來說按值傳入?yún)?shù)是最優(yōu)的方式。

如果你要在構(gòu)造函數(shù)中接收?std::shared_ptr?并且存入類的成員（這是非常常見的），那么按值傳入更是不二選擇。拷貝?std::shared_ptr?需要線程同步，相比之下移動?std::shared_ptr?是非常輕松愉快的。

2.按值返回

和接收輸入?yún)?shù)一樣，返回值按值返回也是最符合人類思維的方式。曾經(jīng)有無數(shù)函數(shù)為了返回容器而不得不寫成這樣:

//?一個按值語義定義的字符串拆分函數(shù)
void?str_split(const?string&?s,?vector*?vec);?

這里不考慮分隔符，假定分隔符是固定的。這樣要求 vec在外部被事先構(gòu)造，此時尚無從得知vec的大小。即使函數(shù)內(nèi)部有辦法預(yù)測vec的大小，因為函數(shù)并不負(fù)責(zé)構(gòu)造vec，很可能仍需要?resize`。

對這樣的函數(shù)嵌套調(diào)用更是痛苦的事情，誰用誰知道啊。

有了移動語義，就可以寫成這樣:

vector?str_split(const?string&?s)?{
????vector?v;
????//?...
????return?v;?// v是左值，但優(yōu)先移動，不支持移動時仍可復(fù)制。
}

如果函數(shù)按值返回，return 語句又直接返回了一個棧上的左值對象（輸入?yún)?shù)除外）時，標(biāo)準(zhǔn)要求優(yōu)先調(diào)用移動構(gòu)造函數(shù)，如果不符再調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)。盡管 ``v是左值，仍然會優(yōu)先采用移動語義，返回?vector` 從此變得云淡風(fēng)輕。此外，無論移動或是拷貝，可能的情況下仍然適用編譯器優(yōu)化，但語義不受影響。

對于?std::unique_ptr?來說，這簡直就是福音。

unique_ptr?create_obj(/*...*/)?{
????unique_ptr?ptr(new?SomeObj(/*...*/));
????ptr->foo();?//?一些可能的初始化
????return?ptr;
}

當(dāng)然還有更簡單的形式:

unique_ptr?create_obj(/*...*/)?{
????return?unique_ptr(new?SomeObj(/*...*/));
}

在工廠類中，這樣的語義是非常常見的。返回?unique_ptr?能夠明確對所構(gòu)造對象的所有權(quán)轉(zhuǎn)移，特別的，這樣的工廠類返回值可以被忽略而不會造成內(nèi)存泄露。上面兩種形式分別返回棧上的左值和右值，但都適用移動語義（unique_ptr?不支持拷貝）。

3.接收右值表達(dá)式

沒有移動語義時，以表達(dá)式的值（例為函數(shù)調(diào)用）初始化對象或者給對象賦值是這樣的：

vector?str_split(const?string&?s);
//?返回的vector用以拷貝構(gòu)造對象v。為v申請堆內(nèi)存，復(fù)制數(shù)據(jù)，然后析構(gòu)臨時對象（釋放堆內(nèi)存）。
vector?v?=?str_split("1,2,3");?
vector?v2;
//?返回的vector被復(fù)制給對象v（拷貝賦值操作符）。需要先清理v2中原有數(shù)據(jù)，將臨時對象中的數(shù)據(jù)復(fù)制給v2，然后析構(gòu)臨時對象。
v2?=?str_split("1,2,3");?

注：v?的拷貝構(gòu)造調(diào)用有可能被優(yōu)化掉，盡管如此在語義上仍然是有一次拷貝操作。

同樣的代碼，在支持移動語義的世界里就變得更美好了。

vector?str_split(const?string&?s);
//?返回的vector用以移動構(gòu)造對象v。v直接取走臨時對象的堆上內(nèi)存，無需新申請。之后臨時對象成為空殼，不再擁有任何資源，析構(gòu)時也無需釋放堆內(nèi)存。
vector?v?=?str_split("1,2,3");?
vector?v2;
//?返回的vector被移動給對象v（移動賦值操作符）。先釋放v2原有數(shù)據(jù)，然后直接從返回值中取走數(shù)據(jù)，然后返回值被析構(gòu)。
v2?=?str_split("1,2,3");?

注：v?的移動構(gòu)造調(diào)用有可能被優(yōu)化掉，盡管如此在語義上仍然是有一次移動操作。

不用多說也知道上面的形式是多么常用和自然。而且這里完全沒有任何對右值引用的顯式使用，性能提升卻默默的實現(xiàn)了。

4.對象存入容器

這個問題和前面的構(gòu)造函數(shù)傳參是類似的。不同的是這里是按兩種引用分別傳參。參見?std::vector?的?push_back?函數(shù)。

void?push_back(?const?T&?value?);?//?(1)
void?push_back(?T&&?value?);?//?(2)

不用多說自然是左值調(diào)用 1 右值調(diào)用 2。如果你要往容器內(nèi)放入超大對象，那么版本 2 自然是不 2 選擇。

vector>?vv;

vector?v?=?{"123",?"456"};
v.push_back("789");?//?臨時構(gòu)造的string類型右值被移動進(jìn)容器v
vv.push_back(move(v));?//?顯式將v移動進(jìn)vv

困擾多年的難言之隱是不是一洗了之了？

5.std::vector 的增長

又一個隱蔽的優(yōu)化。當(dāng)?vector?的存儲容量需要增長時，通常會重新申請一塊內(nèi)存，并把原來的內(nèi)容一個個復(fù)制過去并刪除。對，復(fù)制并刪除，改用移動就夠了。

對于像?vector?這樣的容器，如果頻繁插入造成存儲容量不可避免的增長時，移動語義可以帶來悄無聲息而且美好的優(yōu)化。

6.std::unique_ptr放入容器

曾經(jīng)，由于?vector?增長時會復(fù)制對象，像?std::unique_ptr?這樣不可復(fù)制的對象是無法放入容器的。但實際上?vector?并不復(fù)制對象，而只是“移動”對象。所以隨著移動語義的引入，std::unique_ptr?放入?std::vector?成為理所當(dāng)然的事情。

容器中存儲?std::unique_ptr?有太多好處。想必每個人都寫過這樣的代碼：

MyObj::MyObj()?{
????for?(...)?{
????????vec.push_back(new?T());
????}
????//?...
}

MyObj::~MyObj()?{
????for?(vector::iterator?iter?=?vec.begin();?iter?!=?vec.end();?++iter)?{
????????if?(*iter)?delete?*iter;
????}
????//?...
}

繁瑣暫且不說，異常安全也是大問題。使用?vector>，完全無需顯式析構(gòu)，unqiue_ptr?自會打理一切。完全不用寫析構(gòu)函數(shù)的感覺，你造嗎？

unique_ptr?是非常輕量的封裝，存儲空間等價于裸指針，但安全性強(qiáng)了一個世紀(jì)。實際中需要共享所有權(quán)的對象（指針）是比較少的，但需要轉(zhuǎn)移所有權(quán)是非常常見的情況。auto_ptr?的失敗就在于其轉(zhuǎn)移所有權(quán)的繁瑣操作。unique_ptr?配合移動語義即可輕松解決所有權(quán)傳遞的問題。

注：如果真的需要共享所有權(quán)，那么基于引用計數(shù)的?shared_ptr?是一個好的選擇。shared_ptr?同樣可以移動。由于不需要線程同步，移動?shared_ptr?比復(fù)制更輕量。

7.std::thread 的傳遞

thread 也是一種典型的不可復(fù)制的資源，但可以通過移動來傳遞所有權(quán)。同樣?std::future?std::promise?std::packaged_task?等等這一票多線程類都是不可復(fù)制的，也都可以用移動的方式傳遞。

二、完美轉(zhuǎn)發(fā)

除了移動語義，右值引用還解決了 C++03 中引用語法無法轉(zhuǎn)發(fā)右值的問題，實現(xiàn)了完美轉(zhuǎn)發(fā)，才使得?std::function?能有一個優(yōu)雅的實現(xiàn)。這部分不再展開了。

三、總結(jié)

移動語義絕不是語法糖，而是帶來了 C++ 的深刻革新。移動語義不僅僅是針對庫作者的，任何一個程序員都有必要去了解它。盡管你可能不會去主動為自己的類實現(xiàn)移動語義，但卻時時刻刻都在享受移動語義帶來的受益。因此這絕不意味著這是一個可有可無的東西。

所以，如果你要寫出優(yōu)雅的 Modern C++ 代碼，應(yīng)該多使用右值引用，喜歡它，擁抱它。

編輯：黃飛

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