個(gè)人覺(jué)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(kāi)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(wèn)題，使 C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)在多種場(chǎng)景下消除了不必要的額外開(kāi)銷(xiāo)（如?std::vector,?std::string)，也使得另外一些標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)（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(guò)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，間接從這一新特性中受益。為了更好地理解標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)結(jié)合右值引用帶來(lái)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(dòng)語(yǔ)義和完美轉(zhuǎn)發(fā)。本文主要討論移動(dòng)語(yǔ)義。

一、移動(dòng)語(yǔ)義

移動(dòng)語(yǔ)義，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)解決的是各種情形下對(duì)象的資源所有權(quán)轉(zhuǎn)移的問(wèn)題。而在 C++11 之前，移動(dòng)語(yǔ)義的缺失是 C++ 飽受詬病的問(wèn)題之一。

舉個(gè)例子。

問(wèn)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(tái)特殊的冰箱，這臺(tái)冰箱是為了裝下大象而制造的。你打開(kāi)冰箱門(mén)，將大象放入冰箱，然后關(guān)上冰箱門(mén)。

問(wèn)題二：如何將大象從一臺(tái)冰箱轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)冰箱？

普通解答：

打開(kāi)冰箱門(mén)，取出大象，關(guān)上冰箱門(mén)，打開(kāi)另一臺(tái)冰箱門(mén)，放進(jìn)大象，關(guān)上冰箱門(mén)。

2B 解答：

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

等等，這個(gè) 2B 解答聽(tīng)起來(lái)很耳熟，這不就是 C++ 中要移動(dòng)一個(gè)對(duì)象時(shí)所做的事情嗎？

“移動(dòng)”，這是一個(gè)三歲小孩都明白的概念。將大象（資源）從一臺(tái)冰箱（對(duì)象）移動(dòng)到另一臺(tái)冰箱，這個(gè)行為是如此自然，沒(méi)有任何人會(huì)采用先復(fù)制大象，再銷(xiāo)毀大象這樣匪夷所思的方法。C++ 通過(guò)拷貝構(gòu)造函數(shù)和拷貝賦值操作符為類(lèi)設(shè)計(jì)了拷貝/復(fù)制的概念，但為了實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的移動(dòng)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)資源的接口。

為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)語(yǔ)義，首先需要解決的問(wèn)題是，如何標(biāo)識(shí)對(duì)象的資源是可以被移動(dòng)的呢？這種機(jī)制必須以一種最低開(kāi)銷(xiāo)的方式實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)所有的類(lèi)都有效。C++ 的設(shè)計(jì)者們注意到，大多數(shù)情況下，右值所包含的對(duì)象都是可以安全的被移動(dòng)的。

右值（相對(duì)應(yīng)的還有左值）是從 C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)時(shí)就有的概念，但因?yàn)槠淙绱嘶A(chǔ)，也是一個(gè)最常被忽略的概念。不嚴(yán)格的來(lái)說(shuō)，左值對(duì)應(yīng)變量的存儲(chǔ)位置，而右值對(duì)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(lèi)的右值是一個(gè)臨時(shí)對(duì)象，如果沒(méi)有被綁定到引用，在表達(dá)式結(jié)束時(shí)就會(huì)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(wú)意義的復(fù)制。被移走資源的右值在廢棄時(shí)已經(jīng)成為空殼，析構(gòu)的開(kāi)銷(xiāo)也會(huì)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(lái)表達(dá)移動(dòng)語(yǔ)義。以同類(lèi)型的右值構(gòu)造對(duì)象時(shí)，需要以引用形式傳入?yún)?shù)。右值引用顧名思義專(zhuān)門(mén)用來(lái)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(dòng)的兩種語(yǔ)義實(shí)現(xiàn)。對(duì)于左值，如果我們明確放棄對(duì)其資源的所有權(quán)，則可以通過(guò)std::move()來(lái)將其轉(zhuǎn)為右值引用。std::move()實(shí)際上是?static_cast()?的簡(jiǎn)單封裝。

右值引用至少可以解決以下場(chǎng)景中的移動(dòng)語(yǔ)義缺失問(wèn)題：

1.按值傳入?yún)?shù)

按值傳參是最符合人類(lèi)思維的方式?；镜乃悸肥?，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(shí)，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(shí)為復(fù)制，接收右值時(shí)為移動(dòng)
????People(string?name)?
????????:?name_(move(name))?//?顯式移動(dòng)構(gòu)造，將傳入的字符串移入成員變量
????{
????}
????string?name_;
};

People?a("Alice");?//?移動(dòng)構(gòu)造name

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

構(gòu)造a時(shí)，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(dòng)構(gòu)造函數(shù)。如果使用?const string& name?接收參數(shù)，那么會(huì)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(lái)很蛋疼，盡管編譯器還有優(yōu)化，但從語(yǔ)義來(lái)說(shuō)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(lèi)的成員（這是非常常見(jiàn)的），那么按值傳入更是不二選擇?？截?std::shared_ptr?需要線程同步，相比之下移動(dòng)?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(lèi)思維的方式。曾經(jīng)有無(wú)數(shù)函數(shù)為了返回容器而不得不寫(xiě)成這樣:

//?一個(gè)按值語(yǔ)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(shí)尚無(wú)從得知vec的大小。即使函數(shù)內(nèi)部有辦法預(yù)測(cè)vec的大小，因?yàn)楹瘮?shù)并不負(fù)責(zé)構(gòu)造vec，很可能仍需要?resize`。

對(duì)這樣的函數(shù)嵌套調(diào)用更是痛苦的事情，誰(shuí)用誰(shuí)知道啊。

有了移動(dòng)語(yǔ)義，就可以寫(xiě)成這樣:

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

如果函數(shù)按值返回，return 語(yǔ)句又直接返回了一個(gè)棧上的左值對(duì)象（輸入?yún)?shù)除外）時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)要求優(yōu)先調(diào)用移動(dòng)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(huì)優(yōu)先采用移動(dòng)語(yǔ)義，返回?vector` 從此變得云淡風(fēng)輕。此外，無(wú)論移動(dòng)或是拷貝，可能的情況下仍然適用編譯器優(yōu)化，但語(yǔ)義不受影響。

對(duì)于?std::unique_ptr?來(lái)說(shuō)，這簡(jiǎn)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(jiǎn)單的形式:

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

在工廠類(lèi)中，這樣的語(yǔ)義是非常常見(jiàn)的。返回?unique_ptr?能夠明確對(duì)所構(gòu)造對(duì)象的所有權(quán)轉(zhuǎn)移，特別的，這樣的工廠類(lèi)返回值可以被忽略而不會(huì)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(dòng)語(yǔ)義（unique_ptr?不支持拷貝）。

3.接收右值表達(dá)式

沒(méi)有移動(dòng)語(yǔ)義時(shí)，以表達(dá)式的值（例為函數(shù)調(diào)用）初始化對(duì)象或者給對(duì)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(duì)象v。為v申請(qǐng)堆內(nèi)存，復(fù)制數(shù)據(jù)，然后析構(gòu)臨時(shí)對(duì)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(duì)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(shí)對(duì)象中的數(shù)據(jù)復(fù)制給v2，然后析構(gòu)臨時(shí)對(duì)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(yǔ)義上仍然是有一次拷貝操作。

同樣的代碼，在支持移動(dòng)語(yǔ)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(dòng)構(gòu)造對(duì)象v。v直接取走臨時(shí)對(duì)象的堆上內(nèi)存，無(wú)需新申請(qǐng)。之后臨時(shí)對(duì)象成為空殼，不再擁有任何資源，析構(gòu)時(shí)也無(wú)需釋放堆內(nèi)存。
vector?v?=?str_split("1,2,3");?
vector?v2;
//?返回的vector被移動(dòng)給對(duì)象v（移動(dòng)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(dòng)構(gòu)造調(diào)用有可能被優(yōu)化掉，盡管如此在語(yǔ)義上仍然是有一次移動(dòng)操作。

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

4.對(duì)象存入容器

這個(gè)問(wèn)題和前面的構(gòu)造函數(shù)傳參是類(lèi)似的。不同的是這里是按兩種引用分別傳參。參見(jiàn)?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(shuō)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(duì)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(shí)構(gòu)造的string類(lèi)型右值被移動(dòng)進(jìn)容器v
vv.push_back(move(v));?//?顯式將v移動(dòng)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(zhǎng)

又一個(gè)隱蔽的優(yōu)化。當(dāng)?vector?的存儲(chǔ)容量需要增長(zhǎng)時(shí)，通常會(huì)重新申請(qǐng)一塊內(nèi)存，并把原來(lái)的內(nèi)容一個(gè)個(gè)復(fù)制過(guò)去并刪除。對(duì)，復(fù)制并刪除，改用移動(dòng)就夠了。

對(duì)于像?vector?這樣的容器，如果頻繁插入造成存儲(chǔ)容量不可避免的增長(zhǎng)時(shí)，移動(dòng)語(yǔ)義可以帶來(lái)悄無(wú)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(zhǎng)時(shí)會(huì)復(fù)制對(duì)象，像?std::unique_ptr?這樣不可復(fù)制的對(duì)象是無(wú)法放入容器的。但實(shí)際上?vector?并不復(fù)制對(duì)象，而只是“移動(dòng)”對(duì)象。所以隨著移動(dòng)語(yǔ)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(chǔ)?std::unique_ptr?有太多好處。想必每個(gè)人都寫(xiě)過(guò)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(shuō)，異常安全也是大問(wèn)題。使用?vector>，完全無(wú)需顯式析構(gòu)，unqiue_ptr?自會(huì)打理一切。完全不用寫(xiě)析構(gòu)函數(shù)的感覺(jué)，你造嗎？

unique_ptr?是非常輕量的封裝，存儲(chǔ)空間等價(jià)于裸指針，但安全性強(qiáng)了一個(gè)世紀(jì)。實(shí)際中需要共享所有權(quán)的對(duì)象（指針）是比較少的，但需要轉(zhuǎn)移所有權(quán)是非常常見(jiàn)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(dòng)語(yǔ)義即可輕松解決所有權(quán)傳遞的問(wèn)題。

注：如果真的需要共享所有權(quán)，那么基于引用計(jì)數(shù)的?shared_ptr?是一個(gè)好的選擇。shared_ptr?同樣可以移動(dòng)。由于不需要線程同步，移動(dòng)?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(guò)移動(dòng)來(lái)傳遞所有權(quán)。同樣?std::future?std::promise?std::packaged_task?等等這一票多線程類(lèi)都是不可復(fù)制的，也都可以用移動(dòng)的方式傳遞。

二、完美轉(zhuǎn)發(fā)

除了移動(dòng)語(yǔ)義，右值引用還解決了 C++03 中引用語(yǔ)法無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)右值的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了完美轉(zhuǎn)發(fā)，才使得?std::function?能有一個(gè)優(yōu)雅的實(shí)現(xiàn)。這部分不再展開(kāi)了。

三、總結(jié)

移動(dòng)語(yǔ)義絕不是語(yǔ)法糖，而是帶來(lái)了 C++ 的深刻革新。移動(dòng)語(yǔ)義不僅僅是針對(duì)庫(kù)作者的，任何一個(gè)程序員都有必要去了解它。盡管你可能不會(huì)去主動(dòng)為自己的類(lèi)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)語(yǔ)義，但卻時(shí)時(shí)刻刻都在享受移動(dòng)語(yǔ)義帶來(lái)的受益。因此這絕不意味著這是一個(gè)可有可無(wú)的東西。

所以，如果你要寫(xiě)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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