03|右值和移动究竟解决了什么问题？

你可能会好奇，使用右值引用的第二个重载函数中的变量 other 算是左值还是右值呢？根据定义，other 是个变量的名字，变量有标识符、有地址，所以它还是一个左值——虽然它的类型是右值引用。

尤其重要的是，拿这个 other 去调用函数时，它匹配的也会是左值引用。也就是说，**类型是右值引用的变量是一个左值！**这点可能有点反直觉，但跟 C++ 的其他方面是一致的。毕竟对于一个右值引用的变量，你是可以取地址的，这点上它和左值完全一致。稍后我们再回到这个话题上来。

再看一下下面的代码：

smart_ptr ptr1{new circle()};
smart_ptr ptr2 = std::move(ptr1);

第一个表达式里的 new circle() 就是一个纯右值；但对于指针，我们通常使用值传递，并不关心它是左值还是右值。

第二个表达式里的 std::move(ptr) 就有趣点了。它的作用是把一个左值引用强制转换成一个右值引用，而并不改变其内容。从实用的角度，在我们这儿 std::move(ptr1) 等价于 static_cast<smart_ptr<shape>&&>(ptr1)。因此，std::move(ptr1) 的结果是指向 ptr1 的一个右值引用，这样构造 ptr2 时就会选择上面第二个重载。

我们可以把 std::move(ptr1) 看作是一个有名字的右值。为了跟无名的纯右值 prvalue 相区别，C++ 里目前就把这种表达式叫做 xvalue。跟左值 lvalue 不同，xvalue 仍然是不能取地址的——这点上，xvalue 和 prvalue 相同。所以，xvalue 和 prvalue 都被归为右值 rvalue。我们用下面的图来表示会更清楚一点：

另外请注意，“值类别”（value category）和“值类型”（value type）是两个看似相似、却毫不相干的术语。前者指的是上面这些左值、右值相关的概念，后者则是与引用类型（reference type）相对而言，表明一个变量是代表实际数值，还是引用另外一个数值。在 C++ 里，所有的原生类型、枚举、结构、联合、类都代表值类型，只有引用（&）和指针（*）才是引用类型。在 Java 里，数字等原生类型是值类型，类则属于引用类型。在 Python 里，一切类型都是引用类型。

生命周期和表达式类型

一个变量的生命周期在超出作用域时结束。如果一个变量代表一个对象，当然这个对象的生命周期也在那时结束。那临时对象（prvalue）呢？在这儿，C++ 的规则是：一个临时对象会在包含这个临时对象的完整表达式估值完成后、按生成顺序的逆序被销毁，除非有生命周期延长发生。我们先看一个没有生命周期延长的基本情况：

process_shape(circle(), triangle());

在这儿，我们生成了临时对象，一个圆和一个三角形，它们会在 process_shape 执行完成并生成结果对象后被销毁。

我们插入一些实际的代码，就可以演示这一行为：

#include <stdio.h>

class shape {
public:
virtual ~shape() {}
};

class circle : public shape {
public:
circle() { puts(“circle()”); }
~circle() { puts("~circle()"); }
};

class triangle : public shape {
public:
triangle() { puts(“triangle()”); }
~triangle() { puts("~triangle()"); }
};

class result {
public:
result() { puts(“result()”); }
~result() { puts("~result()"); }
};

result
process_shape(const shape& shape1,
const shape& shape2)
{
puts(“process_shape()”);
return result();
}

int main()
{
puts(“main()”);
process_shape(circle(), triangle());
puts(“something else”);
}

输出结果可能会是（circle 和 triangle 的顺序在标准中没有规定）：

main()

circle()

triangle()

process_shape()

result()

~result()

~triangle()

~circle()

something else

目前我让 process_shape 也返回了一个结果，这是为了下一步演示的需要。你可以看到结果的临时对象最后生成、最先析构。

为了方便对临时对象的使用，C++ 对临时对象有特殊的生命周期延长规则。这条规则是：

如果一个 prvalue 被绑定到一个引用上，它的生命周期则会延长到跟这个引用变量一样长。

我们对上面的代码只要改一行就能演示这个效果。把 process_shape 那行改成：

result&& r = process_shape(
circle(), triangle());

我们就能看到不同的结果了：

main()

circle()

triangle()

process_shape()

result()

~triangle()

~circle()

something else

~result()

现在 result 的生成还在原来的位置，但析构被延到了 main 的最后。

需要万分注意的是，这条生命期延长规则只对 prvalue 有效，而对 xvalue 无效。如果由于某种原因，prvalue 在绑定到引用以前已经变成了 xvalue，那生命期就不会延长。不注意这点的话，代码就可能会产生隐秘的 bug。比如，我们如果这样改一下代码，结果就不对了：

#include // std::move
…
result&& r = std::move(process_shape(
circle(), triangle()));

这时的代码输出就回到了前一种情况。虽然执行到 something else 那儿我们仍然有一个有效的变量 r，但它指向的对象已经不存在了，对 r 的解引用是一个未定义行为。由于 r 指向的是栈空间，通常不会立即导致程序崩溃，而会在某些复杂的组合条件下才会引致问题……

对 C++ 的这条生命期延长规则，在后面讲到视图（view）的时候会十分有用。那时我们会看到，有些 C++ 的用法实际上会隐式地利用这条规则。

此外，参考资料 [5] 中提到了一个有趣的事实：你可以把一个没有虚析构函数的子类对象绑定到基类的引用变量上，这个子类对象的析构仍然是完全正常的——这是因为这条规则只是延后了临时对象的析构而已，不是利用引用计数等复杂的方法，因而只要引用绑定成功，其类型并没有什么影响。

移动的意义

上面我们谈了一些语法知识。就跟学外语的语法一样，这些内容是比较枯燥的。虽然这些知识有时有用，但往往要回过头来看的时候才觉得。初学之时，更重要的是理解为什么，和熟练掌握基本的用法。

对于 smart_ptr，我们使用右值引用的目的是实现移动，而实现移动的意义是减少运行的开销——在引用计数指针的场景下，这个开销并不大。移动构造和拷贝构造的差异仅在于：

1. 少了一次 other.shared_count_->add_count() 的调用
2. 被移动的指针被清空，因而析构时也少了一次 shared_count_->reduce_count() 的调用

在使用容器类的情况下，移动更有意义。我们可以尝试分析一下下面这个假想的语句（假设 name 是 string 类型）：

string result =
string(“Hello, “) + name + “.”;

在 C++11 之前的年代里，这种写法是绝对不推荐的。因为它会引入很多额外开销，执行流程大致如下：

1. 调用构造函数 string(const char*)，生成临时对象 1；"Hello, " 复制 1 次。
2. 调用 operator+(const string&, const string&)，生成临时对象 2；"Hello, " 复制 2 次，name 复制 1 次。
3. 调用 operator+(const string&, const char*)，生成对象 3；"Hello, " 复制 3 次，name 复制 2 次，"." 复制 1 次。
4. 假设返回值优化能够生效（最佳情况），对象 3 可以直接在 result 里构造完成。
5. 临时对象 2 析构，释放指向 string("Hello, ") + name 的内存。
6. 临时对象 1 析构，释放指向 string("Hello, ") 的内存。

既然 C++ 是一门追求性能的语言，一个合格的 C++ 程序员会写：

string result = “Hello, “;
result += name;
result += “.”;

这样的话，只会调用构造函数一次和 string::operator+= 两次，没有任何临时对象需要生成和析构，所有的字符串都只复制了一次。但显然代码就啰嗦多了——尤其如果拼接的步骤比较多的话。从 C++11 开始，这不再是必须的。同样上面那个单行的语句，执行流程大致如下：

1. 调用构造函数 string(const char*)，生成临时对象 1；"Hello, " 复制 1 次。
2. 调用 operator+(string&&, const string&)，直接在临时对象 1 上面执行追加操作，并把结果移动到临时对象 2；name 复制 1 次。
3. 调用 operator+(string&&, const char*)，直接在临时对象 2 上面执行追加操作，并把结果移动到 result；"." 复制 1 次。
4. 临时对象 2 析构，内容已经为空，不需要释放任何内存。
5. 临时对象 1 析构，内容已经为空，不需要释放任何内存。

性能上，所有的字符串只复制了一次；虽然比啰嗦的写法仍然要增加临时对象的构造和析构，但由于这些操作不牵涉到额外的内存分配和释放，是相当廉价的。程序员只需要牺牲一点点性能，就可以大大增加代码的可读性。而且，所谓的性能牺牲，也只是相对于优化得很好的 C 或 C++ 代码而言——这样的 C++ 代码的性能仍然完全可以超越 Python 类的语言的相应代码。

此外很关键的一点是，C++ 里的对象缺省都是值语义。在下面这样的代码里：

class A {
B b_;
C c_;
};

从实际内存布局的角度，很多语言——如 Java 和 Python——会在 A 对象里放 B 和 C 的指针（虽然这些语言里本身没有指针的概念）。而 C++ 则会直接把 B 和 C 对象放在 A 的内存空间里。这种行为既是优点也是缺点。说它是优点，是因为它保证了内存访问的局域性，而局域性在现代处理器架构上是绝对具有性能优势的。说它是缺点，是因为复制对象的开销大大增加：在 Java 类语言里复制的是指针，在 C++ 里是完整的对象。这就是为什么 C++ 需要移动语义这一优化，而 Java 类语言里则根本不需要这个概念。

一句话总结，移动语义使得在 C++ 里返回大对象（如容器）的函数和运算符成为现实，因而可以提高代码的简洁性和可读性，提高程序员的生产率。

所有的现代 C++ 的标准容器都针对移动进行了优化。

如何实现移动？

要让你设计的对象支持移动的话，通常需要下面几步：

1. 你的对象应该有分开的拷贝构造和移动构造函数（除非你只打算支持移动，不支持拷贝——如 unique_ptr）。
2. 你的对象应该有 swap 成员函数，支持和另外一个对象快速交换成员。
3. 在你的对象的名空间下，应当有一个全局的 swap 函数，调用成员函数 swap 来实现交换。支持这种用法会方便别人（包括你自己在将来）在其他对象里包含你的对象，并快速实现它们的 swap 函数。
4. 实现通用的 operator=。
5. 上面各个函数如果不抛异常的话，应当标为 noexcept。这对移动构造函数尤为重要。

具体写法可以参考我们当前已经实现的 smart_ptr：

1. smart_ptr 有拷贝构造和移动构造函数（虽然此处我们的模板构造函数严格来说不算拷贝或移动构造函数）。移动构造函数应当从另一个对象获取资源，清空其资源，并将其置为一个可析构的状态。

smart_ptr(const smart_ptr& other) noexcept
{
ptr_ = other.ptr_;
if (ptr_) {
other.shared_count_
->add_count();
shared_count_ =
other.shared_count_;
}
}
template
smart_ptr(const smart_ptr& other) noexcept
{
ptr_ = other.ptr_;
if (ptr_) {
other.shared_count_
->add_count();
shared_count_ =
other.shared_count_;
}
}
template
smart_ptr(smart_ptr&& other) noexcept
{
ptr_ = other.ptr_;
if (ptr_) {
shared_count_ =
other.shared_count_;
other.ptr_ = nullptr;
}
}