C++模板程式設計特性之移動語意

2022-08-23 18:03:16

C++的值型別

我們知道，每個變數都有型別，或整形或字元型等來進行了分類，不僅如此，C++表示式（帶有運算元的操作符、字面量、變數名等）在型別的屬性上，還有一種屬性，即值類別(value category)。且每個表示式只屬於三種基本值尖別中的一種：左值(lvalue)，右值(rvalue),將亡值(xvalue)，每個值類別都與某種參照型別對應。

其中，左值和將亡值成為泛左值（generalized value，gvalue），純右值和將亡值合稱為右值（right value，rvalue）。

一般我們講，左值就是可以取地址的，具有名字的，比如 int a; a是變數的名字，&a是變數的地址，a就是左值。那麼右值呢，自然就是不可以取地址的，比如int b=10; 而這個10就是一個右值，在記憶體中不會分配有地址，自然也不能取地址。

將亡值，則是指在呼叫某個函數退出返回時，如果函數有返回值，那麼就會有將亡值的存在，為什麼稱之為將亡值，就是說這個值在函數作用域建立，但由於函數返回結束，區域性變數都會銷燬，故會產生一個將亡值來接收這個值，完成賦值的任務。

從上圖也可以看出，將亡值既可能轉為左值，也可能成為右值，那麼關鍵就在於要看是否具有名字了。

下面看這樣一段程式：

#include<iostream>
#include<type_traits>
using namespace std;
class MyString
{
private:
	char* str; // heap;
public:
	MyString(const char* p = nullptr) :str(nullptr)
	{
		if (p != nullptr)
		{
			int n = strlen(p) + 1;
			str = new char[n];
			strcpy_s(str, n, p);
		}
		cout << "Create MyString: " << this << endl;
	}
	MyString(const MyString& st)
	{
		if(st.str!=NULL)
		str = st.str;
		cout << "Copy Create MyString: " << this << endl;
	}
	MyString& operator=(const MyString& st)
	{
		if (st.str != NULL)
		str = st.str;
		cout << this << " operator=(const MyString &):  " << &st << endl;
		return *this;
	}
	~MyString()
	{
		delete[]str;
		str = nullptr;
		cout << "Destroy MyString : " << this << endl;
	}
	void PrintString() const
	{
		if (str != nullptr)
		{
			cout << str << endl;
		}
	}
};
int main()
{
	MyString *a=new MyString("lisa");
	MyString *b = a;
	delete b;
	a->PrintString();
	return 0;
}

MyString型別成員有指標變數，且採用淺拷貝方式。當程式執行時，可以看到，兩個指標指向了同一個地址，此時，若釋放了b指標，再以a指標存取指標成員，就會出現問題。

還有，當函數以值型別返回，構造臨時物件，若有指標變數，且採用淺拷貝，就會出現多次解構的問題，導致程式崩潰。

當我們將程式都改為深拷貝時，深拷貝又會導致，程式多次騷擾對空間，此時就提出了move語意。

std::move

std::move其實並沒有移動任何東西，它唯一的功能是將一個左值強制轉化為右值參照，繼而可以通過右值參照使用該值，以用於移動語意。從實現上講，move基本等同於一個型別轉換。

值得注意的是，通過move轉化成右值後，被轉化的左值的生命週期並沒有隨著左右值的轉化而改變。但通常情況下，我們需要轉換成右值參照的還是一個確定生命期即將結束的物件。

右值參照與移動構造和移動賦值

在c++11中增加了右值參照的概念，即對右值的參照，通過右值參照，可以延長右值的生命期。我們都知道左值參照是變數值的別名，那麼右值參照則是不具名變數的別名。

右值參照是不能繫結到任何左值的，但有個例外，常數左值是一個萬能參照，可以參照任何值，包括右值參照。

class MyString
{
private:
	char* str; // heap;
public:
	MyString(const char* p = nullptr) :str(nullptr)
	{
		if (p != nullptr)
		{
			int n = strlen(p) + 1;
			str = new char[n];
			strcpy_s(str, n, p);
		}
		cout << "Create MyString: " << this << endl;
	}
	MyString(const MyString& st)
	{
		if (st.str != nullptr)
		{
			int n = strlen(st.str) + 1;
			str = new char[n];
			strcpy_s(str, n, st.str);
		}
		cout << "Copy Create MyString: " << this << endl;
	}
	MyString& operator=(const MyString& st)
	{
		if (this != &st && str != st.str)
		{
			delete[]str;
			if (st.str != nullptr)
			{
				int n = strlen(st.str) + 1;
				str = new char[n];
				strcpy_s(str, n, st.str);
			}
		}
		cout << this << " operator=(const MyString &):  " << &st << endl;
		return *this;
	}
	MyString(MyString&& st)
	{
		str = st.str;
		st.str = nullptr;
		cout << "Move Copy Create MyString" << this << endl;
	}
	MyString& operator=(MyString&& st)
	{
		if (this == &st) return *this;
		if (this->str == st.str)
		{
			st.str = nullptr;
			return *this;
		}
		delete[]str;
		str = st.str;
		st.str = nullptr;
		cout << "Move operator=(MyString &&)" << endl;
		return *this;
	}
	~MyString()
	{
		delete[]str;
		str = nullptr;
		cout << "Destroy MyString : " << this << endl;
	}
	void PrintString() const
	{
		if (str != nullptr)
		{
			cout << str << endl;
		}
	}
};
int main()
{
	const MyString stra("hello");
	MyString strb;
	strb = std::move(stra);//呼叫普通的賦值方法
	strb.PrintString();
	return 0;
}

這裡的move還是呼叫普通的賦值函數，並未做到真正的資源轉移，但是若寫成如下結構：

int main()
{
	const MyString stra("hello");
	MyString strb;
	//strb = std::move(stra);//呼叫普通的賦值方法
	strb = (MyString&&)stra;
	strb.PrintString();
	return 0;
}

通過右值參照，可以延長右值的生命期。從而，有了右值參照出現，這個時候配合移動構造與移動賦值，就可以完成資源轉移了。

然後，我們再看一個例子：

MyString& fun()
{
	MyString st=("newdata");
	return st;//xvalue
}
int main()
{
	MyString("zhangsan").PrintString();
	const MyString& a = fun();
	a.PrintString();
	MyString& b = fun();
	b.PrintString();
	return 0;
}

在程式執行時，會發現程式崩潰了，原因是：

函數中返回區域性物件的參照，因為函數呼叫結束會銷燬區域性物件，而參照則就成為了非法的存取。因為不要在函數中返回區域性物件的參照。

若我們將fun()函數的返回改為右值參照呢？

MyString&& fun()
{
	return MyString("newdata");
}
int main()
{
	MyString("zhangsan").PrintString();
	const MyString& a = fun();//x
	a.PrintString();
	//MyString& b = fun();
	//b.PrintString();
	MyString&& c = fun();//x
	c.PrintString();
	MyString&& d = c;//error
	return 0;
}

將亡值回去的時候，就得看看有沒有具名，一旦具名就是左值了，否則是右值

可以發現，右值參照是不具名的，但是右值參照本身卻是個左值，經過右值參照b接收後，就已經變成了左值，具有了名字。

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