聊聊 C++ 右值引用和移动构造函数

ゝ一世哀愁。 2024-03-16 22:26 39阅读 0赞

### 一： 背景 ###

最近在看 C++ 的右值引用和移动构造函数，感觉这东西一时半会还挺难理解的，可能是没踩过这方面的坑，所以没有那么大的深有体会，不管怎么说，这一篇我试着聊一下。

### 二： 右值引用 ###

#### 1. 它到底解决了什么问题？ ####

在其他编程语言中，很少听到 `右值引用` 这个词，我个人感觉还是 `C++` 这个 `值类型` 优先的语言基因决定的，我们都知道 `值类型` 作为方法参数或者返回值时会生成自身的副本，如果 `值类型` 很大，那一来一回生成若干个深复制的 临时对象 将会产生巨大的性能开销。

> 总结一句话：`右值引用` 就是尽可能的减少这中间 `临时对象` 个数，尤其是关联到 heap 上的对象，仅此而已。

#### 2. 右值引用是个什么样子？ ####

说到 `右值引用` 得先说什么是 `右值，左值` ， `左值` 一般都是带有内存地址的变量，而 `右值` 一般是立即数或者运算过程中的临时对象，这种对象不会有地址值，是不是很绕，我举个例子吧。

int main()
    {
    	int i = 10;
    	int j = 11;
    
    	int sum = i + j;
    }

1.  10，11，(i+j)

属于右值，因为它本身没有内存地址，除非把它们放入到栈中或者堆中。

1.  i,j,sum

属于左值，因为它们是线程栈上地址的标识符。

知道了 `左右值` 概念，接下来理解 `左右值引用` 就很简单了，既然是 `引用`，必然是多个变量指向同一个地址，对吧，修改下代码如下：

int main()
    {
    	int i = 10;
    	int& k = i;		//左值引用
    
    
    	int&& m = 10;	//右值引用
    }

接下来看下汇编代码：

33: 	int i = 10;
    00FB182F  mov         dword ptr [ebp-0Ch],0Ah  
        34: 	int& k = i;	
    00FB182F  mov         dword ptr [ebp-0Ch],0Ah  
    00FB1836  lea         eax,[ebp-0Ch]  
    00FB1839  mov         dword ptr [ebp-18h],eax  
        36: 	int&& m = 10;	
    00FB183C  mov         dword ptr [ebp-30h],0Ah  
    00FB1843  lea         eax,[ebp-30h]  
    00FB1846  mov         dword ptr [ebp-24h],eax

从汇编代码看，它们是一模一样的，也就是说在汇编层面，其实并没有 `右值引用` 和 `左值引用` 一说。

有了这些基础，我们来看下更复杂的 class 结构。

### 三： 右值引用如何减少对象的创建 ###

#### 1. 简要思路 ####

其实仔细想一想，减少临时对象的创建，无非就是在运算过程中复用一些对象，不需要每次都走赋值构造函数来进行深复制，画个图就像下面这样。

![2edf20acd72e2c5eca1dc5248cce2517.png][]

明白了这个思路，接下来我们举一个例子说明。

#### 2. 一个简单的例子 ####

C++ 最烦的地方就是有太多的`构造函数`, 数不胜数，太尴尬了，这里我做一个简单的 `+` 操作例子。

#include <iostream>
    #include <vector>
    
    using namespace std;
    
    class StringBuidler {
    public:
    	char* str;
    	int length;
    public:
    	StringBuidler() {}
    	StringBuidler(int len, char c) {
    		this->str = new char[len];
    		this->str[0] = c;
    		this->length = len;
    	}
    
    	StringBuidler(const StringBuidler& s) {
    
    		printf("StringBuidler：深复制 \n");
    		this->length = s.length;
    		this->str = new char[s.length];
    
    		for (size_t i = 0; i < length; i++)
    		{
    			this->str[i] = s.str[i];
    		}
    	}
    
    	StringBuidler operator+(const StringBuidler& p) {
    
    		StringBuidler tmp;
    
    		tmp.length = this->length + p.length;
    		tmp.str = new char[tmp.length];
    
    		int index = 0;
    
    		for (size_t i = 0; i < this->length; i++)
    		{
    			tmp.str[index++] = this->str[i];
    		}
    		for (size_t i = 0; i < p.length; i++)
    		{
    			tmp.str[index++] = p.str[i];
    		}
    
    		return tmp;
    	}
    };
    
    int main()
    {
    	StringBuidler s1(10, 'a');
    	StringBuidler s2(5, 'b');
    
    	StringBuidler s3 = s1 + s2;
    
    	printf("s3.length=%d, s1.length=%d, s2.length=%d \n", s3.length, s1.length, s2.length);
    }

![8bbec0dc8bde6fd0774ed6dbfd11770a.png][]

从这个例子中可以看到，`s1+s2` 操作中出现了一次 `深copy`,具体代码出现在 `return` 处，汇编代码如下：

![60508f8aa35fca3a43fc2c08bebaf520.png][]

因为是深复制，所以会再次生成一个 `new char[]` ，如果 `new char[]` 很大，那将会是不必要的性能开销，能不能像我画的图一样，将 s3 中的 `str` 指针直接指向 tmp 所持有的 heap 上的 `char[]` 数组来达到复用目的呢？ 肯定是可以的。

#### 3. 性能优化方案 ####

这里需要用 `右值引用` \+ `移动构造函数` 让 `s3.str` 指向 `tmp.str`，从而避免复制构造函数，在 StringBuilder 类中加一个方法如下：

StringBuidler(StringBuidler&& s) {
    		this->str = s.str;
    		this->length = s.length;
    
    		s.str = nullptr;
    	}

然后把程序跑起来，截图如下：

![2ec74666082176dd2ae928a31a37f9bf.png][]

可以看到，深复制已经没有了，这个过程会在 `return` 处被调用，编译器会判断如果是右值的话，自动走 `移动构造函数`，没有这个函数就会走 `赋值构造函数`。

### 四： 总结 ###

总之 `右值引用` 可以让你尽可能的复用一些中间对象，达到一个性能上的提升，其实对 C\# 程序员来说，这么简单的引用赋值，C++ 搞出了这么多概念，真的很难理解，可能还是那句话，这是 C++ 的值类型优先的基因决定的。

[2edf20acd72e2c5eca1dc5248cce2517.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/7ff7247928714237bcef863375847abf.png
[8bbec0dc8bde6fd0774ed6dbfd11770a.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/8a354cbda3094d5ea056a1a821c15f69.png
[60508f8aa35fca3a43fc2c08bebaf520.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/f94fa5de5db94ae68bb4cf78bdf83a38.png
[2ec74666082176dd2ae928a31a37f9bf.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/15/2a578db45bf7489f805e2e7872301ad7.png