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ModernC++最核心的变化是什么?

2022-10-09 17:59:16 348

摘要:个人觉得最核心的变化是右值引用的引入,右值引用是 C++ 走向现代化的最重要一步。建议每一位 C++ 开发者都应该深入去了解并充分使用它。右值引用是 C++11 中最重要的新特性之一,它解决了 C++ 中大量的历史遗留问题,使 C++ 标准...

个人觉得最核心的变化是右值引用的引入,右值引用是 C++ 走向现代化的最重要一步。建议每一位 C++ 开发者都应该深入去了解并充分使用它。

右值引用是 C++11 中最重要的新特性之一,它解决了 C++ 中大量的历史遗留问题,使 C++ 标准库的实现在多种场景下消除了不必要的额外开销(如 std::vector, std::string),也使得另外一些标准库(如 std::unique_ptr, std::function)成为可能。即使你并不直接使用右值引用,也可以通过标准库,间接从这一新特性中受益。为了更好地理解标准库结合右值引用带来的优化,我们有必要了解一下右值引用的重大意义。

右值引用的意义通常解释为两大作用:移动语义和完美转发。本文主要讨论移动语义。

一、移动语义

移动语义,简单来说解决的是各种情形下对象的资源所有权转移的问题。而在 C++11 之前,移动语义的缺失是 C++ 饱受诟病的问题之一。

举个例子。

问题一:如何将大象放入冰箱?

答案是众所周知的。首先你需要有一台特殊的冰箱,这台冰箱是为了装下大象而制造的。你打开冰箱门,将大象放入冰箱,然后关上冰箱门。

问题二:如何将大象从一台冰箱转移到另一台冰箱?

普通解答:

打开冰箱门,取出大象,关上冰箱门,打开另一台冰箱门,放进大象,关上冰箱门。

2B 解答:

在第二个冰箱中启动量子复制系统,克隆一只完全相同的大象,然后启动高能激光将第一个冰箱内的大象气化消失。

等等,这个 2B 解答听起来很耳熟,这不就是 C++ 中要移动一个对象时所做的事情吗?

“移动”,这是一个三岁小孩都明白的概念。将大象(资源)从一台冰箱(对象)移动到另一台冰箱,这个行为是如此自然,没有任何人会采用先复制大象,再销毁大象这样匪夷所思的方法。C++ 通过拷贝构造函数和拷贝赋值操作符为类设计了拷贝/复制的概念,但为了实现对资源的移动操作,调用者必须使用先复制、再析构的方式。否则,就需要自己实现移动资源的接口。

为了实现移动语义,首先需要解决的问题是,如何标识对象的资源是可以被移动的呢?这种机制必须以一种最低开销的方式实现,并且对所有的类都有效。C++ 的设计者们注意到,大多数情况下,右值所包含的对象都是可以安全的被移动的。

右值(相对应的还有左值)是从 C 语言设计时就有的概念,但因为其如此基础,也是一个最常被忽略的概念。不严格的来说,左值对应变量的存储位置,而右值对应变量的值本身。C++ 中右值可以被赋值给左值或者绑定到引用。类的右值是一个临时对象,如果没有被绑定到引用,在表达式结束时就会被废弃。于是我们可以在右值被废弃之前,移走它的资源进行废物利用,从而避免无意义的复制。被移走资源的右值在废弃时已经成为空壳,析构的开销也会降低。

右值中的数据可以被安全移走这一特性使得右值被用来表达移动语义。以同类型的右值构造对象时,需要以引用形式传入参数。右值引用顾名思义专门用来引用右值,左值引用和右值引用可以被分别重载,这样确保左值和右值分别调用到拷贝和移动的两种语义实现。对于左值,如果我们明确放弃对其资源的所有权,则可以通过std::move()来将其转为右值引用。std::move()实际上是 static_cast<T&&>() 的简单封装。

右值引用至少可以解决以下场景中的移动语义缺失问题:

1.按值传入参数

按值传参是最符合人类思维的方式。基本的思路是,如果传入参数是为了将资源交给函数接受者,就应该按值传参。同时,按值传参可以兼容任何的 cv-qualified 左值、右值,是兼容性最好的方式。

构造a时,调用了一次字符串的构造函数和一次字符串的移动构造函数。如果使用 const string& name 接收参数,那么会有一次构造函数和一次拷贝构造,以及一次 non-trivial 的析构。尽管看起来很蛋疼,尽管编译器还有优化,但从语义来说按值传入参数是最优的方式。

如果你要在构造函数中接收 std::shared_ptr<X> 并且存入类的成员(这是非常常见的),那么按值传入更是不二选择。拷贝 std::shared_ptr<X> 需要线程同步,相比之下移动 std::shared_ptr 是非常轻松愉快的。

2.按值返回

和接收输入参数一样,返回值按值返回也是最符合人类思维的方式。曾经有无数函数为了返回容器而不得不写成这样:

这里不考虑分隔符,假定分隔符是固定的。这样要求 vec在外部被事先构造,此时尚无从得知vec的大小。即使函数内部有办法预测vec的大小,因为函数并不负责构造vec,很可能仍需要 resize`。

对这样的函数嵌套调用更是痛苦的事情,谁用谁知道啊。

有了移动语义,就可以写成这样:

如果函数按值返回,return 语句又直接返回了一个栈上的左值对象(输入参数除外)时,标准要求优先调用移动构造函数,如果不符再调用拷贝构造函数。尽管 ``v是左值,仍然会优先采用移动语义,返回 vector` 从此变得云淡风轻。此外,无论移动或是拷贝,可能的情况下仍然适用编译器优化,但语义不受影响。

对于 std::unique_ptr 来说,这简直就是福音。

当然还有更简单的形式:

在工厂类中,这样的语义是非常常见的。返回 unique_ptr 能够明确对所构造对象的所有权转移,特别的,这样的工厂类返回值可以被忽略而不会造成内存泄露。上面两种形式分别返回栈上的左值和右值,但都适用移动语义(unique_ptr 不支持拷贝)。

3.接收右值表达式

没有移动语义时,以表达式的值(例为函数调用)初始化对象或者给对象赋值是这样的:

注:v 的拷贝构造调用有可能被优化掉,尽管如此在语义上仍然是有一次拷贝操作。

同样的代码,在支持移动语义的世界里就变得更美好了。

注:v 的移动构造调用有可能被优化掉,尽管如此在语义上仍然是有一次移动操作。

不用多说也知道上面的形式是多么常用和自然。而且这里完全没有任何对右值引用的显式使用,性能提升却默默的实现了。

4.对象存入容器

这个问题和前面的构造函数传参是类似的。不同的是这里是按两种引用分别传参。参见 std::vectorpush_back 函数。

不用多说自然是左值调用 1 右值调用 2。如果你要往容器内放入超大对象,那么版本 2 自然是不 2 选择。

困扰多年的难言之隐是不是一洗了之了?

5.std::vector 的增长

又一个隐蔽的优化。当 vector 的存储容量需要增长时,通常会重新申请一块内存,并把原来的内容一个个复制过去并删除。对,复制并删除,改用移动就够了。

对于像 vector<string> 这样的容器,如果频繁插入造成存储容量不可避免的增长时,移动语义可以带来悄无声息而且美好的优化。

6.std::unique_ptr放入容器

曾经,由于 vector 增长时会复制对象,像 std::unique_ptr 这样不可复制的对象是无法放入容器的。但实际上 vector 并不复制对象,而只是“移动”对象。所以随着移动语义的引入,std::unique_ptr 放入 std::vector 成为理所当然的事情。

容器中存储 std::unique_ptr 有太多好处。想必每个人都写过这样的代码:

繁琐暂且不说,异常安全也是大问题。使用 vector<unique_ptr<T>>,完全无需显式析构,unqiue_ptr 自会打理一切。完全不用写析构函数的感觉,你造吗?

unique_ptr 是非常轻量的封装,存储空间等价于裸指针,但安全性强了一个世纪。实际中需要共享所有权的对象(指针)是比较少的,但需要转移所有权是非常常见的情况。auto_ptr 的失败就在于其转移所有权的繁琐操作。unique_ptr 配合移动语义即可轻松解决所有权传递的问题。

注:如果真的需要共享所有权,那么基于引用计数的 shared_ptr 是一个好的选择。shared_ptr 同样可以移动。由于不需要线程同步,移动 shared_ptr 比复制更轻量。

7.std::thread 的传递

thread 也是一种典型的不可复制的资源,但可以通过移动来传递所有权。同样 std::future std::promise std::packaged_task 等等这一票多线程类都是不可复制的,也都可以用移动的方式传递。

二、完美转发

除了移动语义,右值引用还解决了 C++03 中引用语法无法转发右值的问题,实现了完美转发,才使得 std::function 能有一个优雅的实现。这部分不再展开了。

三、总结

移动语义绝不是语法糖,而是带来了 C++ 的深刻革新。移动语义不仅仅是针对库作者的,任何一个程序员都有必要去了解它。尽管你可能不会去主动为自己的类实现移动语义,但却时时刻刻都在享受移动语义带来的受益。因此这绝不意味着这是一个可有可无的东西。

所以,如果你要写出优雅的 Modern C++ 代码,应该多使用右值引用,喜欢它,拥抱它。

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