深入浅出 C++ 11 右值引用

深入浅出 C++ 11 右值引用
彻底搞清楚：右值引用/移动语义/拷贝省略/通用引用/完美转发 —— 以最短的篇幅，介绍常见误解（什么时候要用 move？什么时候不能 move？为什么 move 失败？）和基础知识（为什么右值引用变量是左值？为什么会调用移动构造函数？），一步步解释“为什么/是什么/怎么做”。

写在前面

如果你还不知道 C++ 11 引入的右值引用是什么，可以读读这篇文章，看看有什么启发；如果你已经对右值引用了如指掌，也可以读读这篇文章，看看有什么补充。

尽管 C++ 17 标准已经发布了，很多人还不熟悉 C++ 11 的 右值引用/移动语义/拷贝省略/通用引用/完美转发 等概念，甚至对一些细节 有所误解（包括我 [emoji]）。

本文将以最短的篇幅，一步步解释关于右值引用的 为什么/是什么/怎么做。先分享几个我曾经犯过的错误。

误解：返回前，移动局部变量
```
std::string base_url = tag->GetBaseUrl();
if (!base_url.empty()) {
  UpdateQueryUrl(std::move(base_url) + "&q=" + word_);
}
LOG(INFO) << base_url;  // |base_url| may be moved-from
```
上述代码的问题在于：使用 std::move() 移动局部变量 base_url，会导致后续代码不能使用该变量；如果使用，会出现 未定义行为 (undefined behavior)（参考：std::basic_string(basic_string&&)）。

如何检查 移动后使用 (use after move)：
- 运行时，在移动构造函数中，将被移动的值设置为无效状态，并在每次使用前检查有效性
- 编译时，使用 Clang 标记对移动语义进行静态检查（参考：Consumed Annotation Checking | Attributes in Clang）
误解：被移动的值不能再使用

C.64: A move operation should move and leave its source in a valid state

很多人认为：被移动的值会进入一个 非法状态 (invalid state)，对应的 内存不能再访问。

其实，C++ 标准要求对象遵守 [sec|移动语义] 移动语义 —— 被移动的对象进入一个 合法但未指定状态 (valid but unspecified state)，调用该对象的方法（包括析构函数）不会出现异常，甚至在重新赋值后可以继续使用：
```
auto p = std::make_unique<int>(1);
auto q = std::move(p);
 
assert(p == nullptr);  // OK: reset to default
p.reset(new int{2});   // or p = std::make_unique<int>(2);
assert(*p == 2);       // OK: reset to int*(2
```
另外，基本类型（例如 int/double）的移动语义和拷贝相同：
```
int i = 1;
int j = std::move(i);
 
assert(i == j)
```
误解：移动非引用返回值

F.48: Don’t return std::move(local)
```
std::unique_ptr<int> foo() {
  auto ret = std::make_unique<int>(1);
  //...
  return std::move(ret);  // -> return ret;
}
```
上述代码的问题在于：没必要使用 std::move() 移动非引用返回值。

C++ 会把即将离开作用域的 非引用类型的 返回值当成右值（参考 [sec|值类别 vs 变量类型]），对返回的对象进行 [sec|移动语义] 移动构造（语言标准）；如果编译器允许 [sec|拷贝省略] 拷贝省略，还可以省略这一步的构造，直接把 ret 存放到返回值的内存里（编译器优化）。

Never apply std::move() or std::forward() to local objects if they would otherwise be eligible for the return value optimization. —— Scott Meyers, Effective Modern C++

另外，误用 std::move() 会阻止编译器的拷贝省略优化。不过聪明的 Clang 会提示 -Wpessimizing-move/-Wredundant-move 警告。

误解：不移动右值引用参数

F.18: For “will-move-from” parameters, pass by X&& and std::move() the parameter
```
std::unique_ptr<int> bar(std::unique_ptr<int>&& val) {
  //...
  return val;    // not compile
                 // -> return std::move/forward(val);
}
```
上述代码的问题在于：没有对返回值使用 std::move()（编译器提示 std::unique_ptr(const std::unique_ptr&) = delete 错误）。

If-it-has-a-name Rule:
- Named rvalue references are lvalues.
- Unnamed rvalue references are rvalues.
因为不论 左值引用 还是 右值引用 的变量（或参数）在初始化后，都是左值（参考 [sec|值类别 vs 变量类型]）：
- 命名的右值引用(named rvalue reference)变量是左值，但变量类型却是 右值引用
- 在作用域内，左值变量 可以通过 变量名(variable name)被取地址、被赋值
所以，返回右值引用变量时，需要使用 std::move()/std::forward() 显式的 [sec|移动转发] 移动转发 或 [sec|完美转发] 完美转发，将变量 “还原” 为右值（右值引用类型）。

误解：手写错误的移动构造函数

C.20: If you can avoid defining default operations, do
C.21: If you define or =delete any default operation, define or =delete them all
C.80: Use =default if you have to be explicit about using the default semantics
C.66: Make move operations noexcept

实际上，多数情况下：
- 如果 没有定义 拷贝构造/拷贝赋值/移动构造/移动赋值/析构函数的任何一个，编译器会 自动生成 移动构造/移动赋值函数（rule of zero）
- 如果 需要定义 拷贝构造/拷贝赋值/移动构造/移动赋值/析构函数的任何一个，不要忘了移动构造/移动赋值函数，否则对象会 不可移动（rule of five）
- 尽量使用=default 让编译器生成移动构造/移动赋值函数，否则 容易写错
- 如果 需要自定义 移动构造/移动赋值函数，尽量定义为 noexcept 不抛出异常（编译器生成的版本会自动添加），否则 不能高效 使用标准库和语言工具
例如，标准库容器 std::vector 在扩容时，会通过 std::vector::reserve() 重新分配空间，并转移已有元素。如果扩容失败，std::vector 满足 ef="https://en.cppreference.com/w/cpp/language/exceptions#Exception_safety">强异常保证 (strong exception guarantee)，可以回滚到失败前的状态。

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为此，std::vector 使用 std::move_if_noexcept() 进行元素的转移操作：
- 优先使用 noexcept 移动构造函数（高效；不抛出异常）
- 其次使用拷贝构造函数（低效；如果异常，可以回滚）
- 再次使用非 noexcept 移动构造函数（高效；如果异常，无法回滚）
- 最后如果不可拷贝、不可移动，编译失败
如果没有定义移动构造函数或自定义的移动构造函数没有 noexcept，会导致 std::vector 扩容时执行无用的拷贝，不易发现。

基础知识

之所以会出现上边的误解，往往是因为 C++ 语言的复杂性和使用者对基础知识的掌握程度不匹配。

值类别 vs 变量类型

划重点 —— 值 (value) 和变量 (variable) 是两个独立的概念：
- 值只有类别(category) 的划分，变量只有类型(type) 的划分
- 值不一定拥有身份(identity)，也不一定拥有变量名（例如表达式中间结果 i + j + k）
值类别 (value category) 可以分为两种：
- 左值(lvalue, left value) 是能被取地址、不能被移动的值
- 右值(rvalue, right value) 是表达式中间结果/函数返回值（可能拥有变量名，也可能没有）
C++ 17 细化了 prvalue/xvalue/lvalue 和 rvalue/glvalue 类别，本文不详细讨论。

引用类型属于一种变量类型 (variable type)，将在 [sec|左值引用 vs 右值引用 vs 常引用] 详细讨论。

在变量初始化 (initialization) 时，需要将初始值 (initial value) 绑定到变量上；但引用类型变量 的初始化和其他的值类型（非引用类型）变量不同：
- 创建时，必须显式初始化（和指针不同，不允许 空引用(null reference)；但可能存在 悬垂引用(dangling reference)）
- 相当于是其引用的值的一个别名(alias)（例如，对引用变量的 赋值运算(assignment operation) 会赋值到其引用的值上）
- 一旦绑定了初始值，就 不能重新绑定 到其他值上了（和指针不同，赋值运算不能修改引用的指向；而对于 Java/JavaScript 等语言，对引用变量赋值可以重新绑定）
左值引用 vs 右值引用 vs 常引用

引用类型可以分为两种：
- 左值引用(l-ref, lvalue reference) 用 & 符号引用左值（但不能引用右值）
- 右值引用(r-ref, rvalue reference) 用 && 符号引用右值（也可以移动左值）
```
void f(Data&  data);  // 1, data is l-ref
void f(Data&& data);  // 2, data is r-ref
Data   data;
 
Data&  data1 = data;             // OK
Data&  data1 = Data{};           // not compile: invalid binding
Data&& data2 = Data{};           // OK
Data&& data2 = data;             // not compile: invalid binding
Data&& data2 = std::move(data);  // OK
 
f(data);    // 1, data is lvalue
f(Data{});  // 2, data is rvalue
f(data1);   // 1, data1 is l-ref type and lvalue
f(data2);   // 1, data2 is r-ref type but lvalue
```
- 左值引用 变量 data1 在初始化时，不能绑定右值 Data{}
- 右值引用变量 data2 在初始化时，不能绑定左值data
- 但可以通过 std::move() 将左值 转为右值引用（参考 [sec|移动转发]）
- 右值引用 变量 data2 被初始化后，在作用域内是左值（参考 [sec|误解：不移动右值引用参数]），所以匹配 f() 的 重载 2
另外，C++ 还支持了 常引用 (c-ref, const reference)，同时接受 左值/右值进行初始化：
```
void g(const Data& data);  // data is c-ref
 
g(data);    // ok, data is lvalue
g(Data{});  // ok, data is rvalue
```
常引用和右值引用都能接受右值的绑定，有什么区别呢？
- 通过右值引用/常引用初始化的右值，都可以将生命周期扩展 (lifetime extension) 到绑定该右值的引用的生命周期
- 初始化时绑定了右值后，右值引用 可以修改 引用的右值，而常引用不能修改
```
const Data& data1 = Data{};   // OK: extend lifetime
data1.modify();               // not compile: const
 
Data&& data2 = Data{};        // OK: extend lifetime
data2.modify();               // OK: non-const
```
引用参数重载优先级

如果函数重载同时接受右值引用/常引用参数，编译器 优先重载 右值引用参数 —— 是 [sec|移动语义] 移动语义的实现基础：
```
void f(const Data& data);  // 1, data is c-ref
void f(Data&& data);       // 2, data is r-ref
 
f(Data{});  // 2, prefer 2 over 1 for rvalue
```
针对不同左右值实参 (argument) 重载引用类型形参 (parameter) 的优先级如下：
- 数值越小，优先级越高；如果不存在，则重载失败
- 如果同时存在传值(by value) 重载（接受值类型参数 T），会和上述 传引用(by reference) 重载产生歧义，编译失败
- 常右值引用(const rvalue reference)const T&& 一般不直接使用（参考）
引用折叠

引用折叠(reference collapsing)（是 [sec|移动转发] std::move() 和 [sec|完美转发] std::forward() 的实现基础：
```
using Lref = Data&;
using Rref = Data&&;
Data data;
 
Lref&  r1 = data;    // r1 is Data&
Lref&& r2 = data;    // r2 is Data&
Rref&  r3 = data;    // r3 is Data&
Rref&& r4 = Data{};  // r4 is Data&&
```
移动语义

在 C++ 11 强化了左右值概念后，提出了 移动语义 (move semantic) 优化：由于右值对象一般是临时对象，在移动时，对象包含的资源 不需要先拷贝再删除，只需要直接 从旧对象移动到新对象。

同时，要求 被移动的对象 处于 合法但未指定状态（参考 [sec|误解：被移动的值不能再使用]）：
- （基本要求）能正确析构（不会重复释放已经被移动了的资源，例如 std::unique_ptr::~unique_ptr() 检查指针是否需要 delete）
- （一般要求）重新赋值后，和新的对象没有差别（C++ 标准库基于这个假设）
- （更高要求）恢复为默认值（例如 std::unique_ptr 恢复为 nullptr）
由于基本类型不包含资源，其移动和拷贝相同：被移动后，保持为原有值。

避免先拷贝再释放资源

一般通过 重载构造/赋值函数 实现移动语义。例如，std::vector 有：
- 以常引用作为参数的 拷贝构造函数(copy constructor)
- 以右值引用作为参数的 移动构造函数(move constructor)
```
template<typename T>
class vector {
 public:
  vector(const vector& rhs);      // copy data
  vector(vector&& rhs) noexcept;  // move data
  ~vector();                      // dtor
 private:
  T* data_ = nullptr;
  size_t size_ = 0;
};
 
vector::vector(const vector& rhs) : data_(new T[rhs.size_]) {
  auto &lhs = *this;
  lhs.size_ = rhs.size_;
  std::copy_n(rhs.data_, rhs.size_, lhs.data_);  // copy data
}
 
vector::vector(vector&& rhs) noexcept {
  auto &lhs = *this;
  lhs.size_ = rhs.size_;
  lhs.data_ = rhs.data_;  // move data
  rhs.size_ = 0;
  rhs.data_ = nullptr;    // set data of rhs to null
}
 
vector::~vector() {
  if (data_)              // release only if owned
    delete[] data_;
}
```
上述代码中，构造函数 vector::vector() 根据实参判断（重载优先级参考 [sec|引用参数重载优先级]）：
- 实参为左值时，拷贝构造，使用 new[]/std::copy_n 拷贝原对象的所有元素（本方案有一次冗余的默认构造，仅用于演示）
- 实参为右值时，移动构造，把指向原对象内存的指针 data_、内存大小 size_ 拷贝到新对象，并把原对象这两个成员置 0
析构函数 vector::~vector() 检查 data_ 是否有效，决定是否需要释放资源。

此处省略拷贝赋值/移动赋值函数，但建议加上。（参考 [sec|误解：手写错误的移动构造函数]）

此外，类的成员函数 还可以通过ef="https://en.cpprefhttp://erence.com/w/cpp/language/member_functions#const-.2C_volatile-.2C_and_ref-qualified_member_functions">引用限定符(reference qualifier)，针对当前对象本身的左右值状态（以及 const-volatile）重载：
```
class Foo {
 public:
  Data data() && { return std::move(data_); }  // rvalue, move-out
  Data data() const& { return data_; }         // otherwise, copy
};
 
auto ret1 = foo.data();    // foo   is lvalue, copy
auto ret2 = Foo{}.data();  // Foo{} is rvalue, move
```
转移不可拷贝的资源

在之前写的资源管理小记提到：如果资源是 不可拷贝 (non-copyable) 的，那么装载资源的对象也应该是不可拷贝的。

如果资源对象不可拷贝，一般需要定义移动构造/移动赋值函数，并禁用拷贝构造/拷贝赋值函数。例如，智能指针 std::unique_ptr 只能移动 (move only)：
```
template<typename T>
class unique_ptr {
 public:
  unique_ptr(const unique_ptr& rhs) = delete;
  unique_ptr(unique_ptr&& rhs) noexcept;  // move only
 private:
  T* data_ = nullptr;
};
 
unique_ptr::unique_ptr(unique_ptr&& rhs) noexcept {
  auto &lhs = *this;
  lhs.data_ = rhs.data_;
  rhs.data_ = nullptr;
}
```
上述代码中，unique_ptr 的移动构造过程和 vector 类似：
- 把指向原对象内存的指针 data_ 拷贝到新对象
- 把原对象的指针 data_ 置为空
反例：不遵守移动语义

移动语义只是语言上的一个概念，具体是否移动对象的资源、如何移动对象的资源，都需要通过编写代码实现。而移动语义常常被 误认为，编译器 自动生成 移动对象本身的代码（[sec|拷贝省略] 拷贝省略）。

为了证明这一点，我们可以实现不遵守移动语义的 bad_vec::bad_vec(bad_vec&& rhs)，执行拷贝语义：
```
bad_vec::bad_vec(bad_vec&& rhs) : data_(new T[rhs.size_]) {
  auto &lhs = *this;
  lhs.size_ = rhs.size_;
  std::copy_n(rhs.data_, rhs.size_, lhs.data_);  // copy data
}
```
那么，一个 bad_vec 对象在被 move 移动后仍然可用：
```
bad_vec<int> v_old { 0, 1, 2, 3 };
auto v_new = std::move(v_old);
 
v_old[0] = v_new[3];           // ok, but odd :-)
assert(v_old[0] != v_new[0]);
assert(v_old[0] == v_new[3]);
```
虽然代码可以那么写，但是在语义上有问题：进行了拷贝操作，违背了移动语义的初衷。

拷贝省略

尽管 C++ 引入了移动语义，移动的过程仍有优化的空间 —— 与其调用一次没有意义的移动构造函数，不如让编译器直接跳过这个过程 —— 于是就有了 ref="https://en.cppreference.com/w/cpp/language/copy_elision">拷贝省略(copy elision)。

然而，很多人会把移动语义和拷贝省略混淆：
- 移动语义是 语言标准 提出的概念，通过编写遵守移动语义的移动构造函数、右值限定成员函数，逻辑上 优化 对象内资源 的转移流程
- 拷贝省略是（C++ 17 前）非标准的 编译器优化，跳过移动/拷贝构造函数，让编译器直接在 移动后的对象 内存上，构造 被移动的对象（例如 [sec|误解：移动非引用返回值] 的代码，直接在函数返回值对象的内存上，构造函数局部对象 ret —— 在 不同作用域 里，共享 同一块内存）
C++ 17 要求编译器对 纯右值 (prvalue, pure rvalue) 进行拷贝省略优化。（参考）
```
Data f() {
  Data val;
  // ...
  throw val;
  // ...
  return val;
 
  // NRVO from lvalue to ret (not guaranteed)
  // if NRVO is disabled, move ctor is called
}
 
void g(Date arg);
 
Data v = f();     // copy elision from prvalue (C++ 17)
g(f());           // copy elision from prvalue (C++ 17)
```
初始化局部变量、函数参数时，传入的纯右值可以确保被优化 —— Return Value Optimization (RVO)；而返回的 将亡值 (xvalue, eXpiring value) 不保证被优化 —— Named Return Value Optimization (NRVO)。

通用引用和完美转发

揭示 std::move()/ std::forward() 的原理，需要读者有一定的 模板编程基础。

为什么需要通用引用

C++ 11 引入了变长模板的概念，允许向模板参数里传入不同类型的不定长引用参数。由于每个类型可能是左值引用或右值引用，针对所有可能的左右值引用组合，特化所有模板 是 不现实的。

假设没有 通用引用的概念，模板 std::make_unique<> 至少需要两个重载：
```
template<typename T, typename... Args>
unique_ptr<T> make_unique(const Args&... args) {
  return unique_ptr<T> {
    new T { args... }
  };
}
 
template<typename T, typename... Args>
unique_ptr<T> make_unique(Args&&... args) {
  return unique_ptr<T> {
    new T { std::move<Args>(args)... }
  };
}
```
- 对于传入的左值引用 const Args&… args，只要展开 args… 就可以转发这一组左值引用
- 对于传入的右值引用 Args&&… args，需要通过 [sec|移动转发] std::move() 转发出去，即 std::move(args)…（为什么要转发：参考 [sec|误解：不移动右值引用参数]）
上述代码的问题在于：如果传入的 args 既有左值引用又有右值引用，那么这两个模板都 无法匹配。

通用引用

Item 24: Distinguish universal references from rvalue references. —— Scott Meyers, Effective Modern C++

Scott Meyers 指出：有时候符号 && 并不一定代表右值引用，它也可能是左值引用 —— 如果一个引用符号需要通过左右值类型推导（模板参数类型或 auto 推导），那么这个符号可能是左值引用或右值引用 —— 这叫做 通用引用 (universal reference)。
```
// rvalue ref: no type deduction
void f1(Widget&& param1);
Widget&& var1 = Widget();
template<typename T> void f2(vector<T>&& param2);
 
// universal ref: type deduction
auto&& var2 = var1;
template<typename T> void f3(T&& param);
```
上述代码中，前三个 && 符号不涉及引用符号的左右值类型推导，都是右值引用；而后两个 && 符号会 根据初始值推导左右值类型：
- 对于var2
  - 因为 var1 是左值，所以 var2 也是左值引用
  - 推导不会参考 var1 的变量类型
- 对于T&&
  - 如果 param 传入左值，T&& 是左值引用 std::remove_reference_t&
  - 如果 param 传入右值，T&& 是右值引用 std::remove_reference_t&&
基于通用引用，[sec|为什么需要通用引用] 的模板 std::make_unique<> 只需要一个重载：
```
template<typename T, typename... Args>
unique_ptr<T> make_unique(Args&&... args) {
  return unique_ptr<T> {
    new T { std::forward<Args>(args)... }
  };
}
```
其中，std::forward() 实现了 针对不同左右值参数的转发 —— 完美转发。

完美转发

什么是 完美转发 (perfect forwarding)：
- 如果参数是 左值引用，直接以 左值引用 的形式，转发给下一个函数
- 如果参数是 右值引用，要先 “还原” 为 右值引用 的形式，再转发给下一个函数
因此，std::forward() 定义两个 不涉及 左右值类型推导的模板（不能使用通用引用参数）：
```
template <typename T>
T&& forward(std::remove_reference_t<T>& val) noexcept {  // #1
  // forward lvalue as either lvalue or rvalue
  return static_cast<T&&>(val);
}
 
template <typename T>
T&& forward(std::remove_reference_t<T>&& val) noexcept {  // #2
  // forward rvalue as rvalue (not lvalue)
  static_assert(!std::is_lvalue_reference_v<T>,
                "Cannot forward rvalue as lvalue.");
  return static_cast<T&&>(val);
}
```
实参/返回值重载l-ref 返回值r-ref 返回值l-ref 实参#1完美转发移动转发r-ref 实参#2语义错误完美转发
- 尽管初始化后的变量都是左值（参考 [sec|误解：不移动右值引用参数]），但原始的 变量类型 仍会保留
- 因此，可以根据 实参类型 选择重载，和模板参数 `T` 的类型无关
- 返回值类型static_cast(val) 经过模板参数 T&& [sec|引用折叠] 引用折叠实现完美转发/移动转发，和实参类型无关
- “将 l-ref 实参转发为 r-ref 返回值” 等价于 [sec|移动转发] std::move() 移动转发
移动转发

类似的，std::move() 只转发为右值引用类型：
```
template <typename T>
std::remove_reference_t<T>&& move(T&& val) noexcept {
  // forward either lvalue or rvalue as rvalue
  return static_cast<std::remove_reference_t<T>&&>(val);
}
```
实参/返回值r-ref 返回值l-ref 实参移动转发r-ref 实参移动转发（完美转发）
- 接受通用引用模板参数 T&&（无需两个模板，使用时不区分 T 的引用类型）
- 返回值 static_cast&&(val) 将实参 转为将亡值（右值引用类型）
- 所以 std::move() 等价于 std::forward<std::removereference_t&&()
最后，std::move()/std::forward() 只是编译时的变量类型转换，不会产生目标代码。

写在最后

虽然这些东西你不知道，也不会伤害你；但如果你知道了，就可以合理利用，从而提升开发效率，避免不必要的问题。
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原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_52183917/article/details/127928567

写在前面

误解：返回前，移动局部变量

误解：被移动的值不能再使用

误解：移动非引用返回值

误解：不移动右值引用参数

误解：手写错误的移动构造函数

基础知识

值类别 vs 变量类型

左值引用 vs 右值引用 vs 常引用

引用参数重载优先级

引用折叠

移动语义

避免先拷贝再释放资源

转移不可拷贝的资源

反例：不遵守移动语义

拷贝省略

通用引用和完美转发

为什么需要通用引用

通用引用

完美转发

移动转发

写在最后