The Power of Move Semantics

Motivation of Move Semantics

假设我们有如下的代码

#include <string>
#include <vector>

std::vector<std::string> createAndInsert()
{
    std::vector<std::string> coll;
    coll.reserve(3);
    std::string s = "data";

    coll.push_back(s);
    coll.push_back(s + s);
    coll.push_back(s);

    return coll;
}

int main()
{
    std::vector<std::string> v;

    v = createAndInsert();

    return 0;
}

对于不支持移动语义的编译器（C++03），这段代码需要进行10次内存分配和6次内存释放。不必要的内存分配主要源于以下操作：

• 将一个临时对象插入到集合中
• 将一个不再需要的对象插入到集合中
• 为一个临时的集合及其所有元素赋值

我们可以通过将 vector 作为引用参数传入，或者使用 std::swap() 来避免最后一次的赋值。但这看起来非常繁琐，而且无法解决前两个问题。因此，C++11 引入了移动语义

#include <string>
#include <vector>

std::vector<std::string> createAndInsert()
{
    std::vector<std::string> coll;
    coll.reserve(3);
    std::string s = "data";

    coll.push_back(s);
    coll.push_back(s + s);
    coll.push_back(std::move(s));

    return coll;
}

int main()
{
    std::vector<std::string> v;

    v = createAndInsert();

    return 0;
}

修改后的代码虽然只改动了一行，但是省去了六次内存的分配与释放，上面提到的不必要的内存操作都不会发生

这是因为编译器会自动判断一个对象是否即将被销毁，并对该对象使用移动语义，将其所有权进行移动而不是复制其内容。我们也可以使用 std::move() 显式地告诉编译器我们在这里不再需要该变量的值，从而触发移动语义

这里有两点内容需要特别注意：

• std::move(s) 只是标记 s 可以进行移动，它本身不进行任何移动，s 的值是否移动取决于被调用方
• 值被移动后的对象仍处于有效的状态，被称为有效但未指定的状态（valid but unspecified state）。此时，仍可以像使用一个未被移动的对象那样使用该对象，但它的值究竟是什么取决于函数的实现

Implementing Move Semantics

自 C++11 开始，std::vector 提供了两个不同的 push_back() 函数：

void push_back(const T& elem);
void push_back(T&& elem);

第二个重载使用了被称为移动语义的新语法：其参数为右值引用（rvalue reference）形式，即两个 & 且不带 const；而传统的只有一个 & 的引用被称为左值引用（lvalue reference）

这两个函数的主要区别是

• push_back(const T& elem) 不会修改被传入的参数的值
• push_back(T&& elem) 可以修改被传入的参数并“偷”走它的值。当调用者不再需要参数的值时会调用这个函数；在函数调用结束后，调用者仍可以使用参数，只要其不再依赖它的值

Using the Copy Constructor

push_back(const T& elem) 会调用复制构造函数，我们以 std::string 为例来看一下构造函数如何工作

std::string a = "data";
std::string b = a;

复制构造函数将会复制 a 中的所有内容并为其分配一块新内存，如下图所示

Using the Move Constructor

push_back(T&& elem) 会调用移动构造函数，这个构造函数会从一个不再需要其值的 string 创建一个 string，考虑下面的代码

std::string c = std::move(b);

移动构造函数首先复制两个成员 len 和 data，新字符串由此获取了 b 中值的所有权。而由于 b 的析构函数会释放内存，我们也必须修改源字符串：使其失去对内存的所有权，并将其置于表示空字符串的一致状态

Copying as a Fallback

对于临时对象或标记了 std::move() 的对象，可以对其使用移动语义。函数可以通过提供一个参数为右值引用的重载，从参数“偷”值作为特殊优化。然而，如果没有提供支持移动语义的特殊优化，通常将使用复制作为回退

例如，对于一个没有提供以右值引用为参数的 push_back 的容器，我们仍然可以将一个临时对象或者标记为 std::move 的对象作为参数传入。对于临时对象或者标记为 std::move 的对象，编译器会优先选择参数被声明为右值引用的函数；如果这样的函数不存在，通常会使用复制

Move Semantics for const Objects

声明为 const 的对象无法被移动，因为移动语义的实现要求参数是可以被修改的。因此，对 const 对象使用 std::move() 是没有效果的

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