[C++知识库]《Modern Effective C++》学习笔记5 右值引用，移动语义和完美转发

第五章：右值引用，移动语义和完美转发

移动语义：提供了比复制操作代价低得多的移动操作，提升了代码的性能；

完美转发：使得人们可以撰写接受任意实参的函数模板，并将其转发到其他函数，目标函数会接受到与转发函数所接受的完全相同的实参。

条款二十三：理解std::move和std::forward

这两个函数看起来是函数，其实它们在运行期间什么也不做，也不生成任何可执行代码。

std::move并不进行任何移动，它只是无条件地将实参强制转换成右值。

std::forward也不进行任何转发，它只是在某个特定条件下才执行右值强制转换，具体条件见下面代码：

?// 处理左值
?void process(const int& lvalArg) {
? ?std::cout << "lvalue process" << std::endl;
?}
?// 处理右值
?void process(int&& rvalArg) {
? ?std::cout << "rvalue process" << std::endl;
?}
??
?template<typename T>
?void logAndProcess(T&& param) {
? ?std::cout << "log here" << std::endl;
? ?// 函数形参都是左值，只有加上forward才能保持右值的类型
? ?process(std::forward<T>(param));
?}
??
?int main() {
? ?int a = 0;
? ?logAndProcess(std::move(a));
?}   // 输出"rvalue process"

条款二十四：区分万能引用和右值引用

T&&？

T&&会有两种含义，一种是右值引用，一种是万能引用。

右值引用：仅会绑定到右值，主要用于识别一个可移对象。

万能引用：可以绑定到几乎任何类型

怎么找万能引用？

万能引用通常在两个场景下现身

1. 函数模板的形参

   ?template<typename T>
   ?void f(T&& param);

2. auto声明

   ?auto&& var2 = var1;

以上两种场景有个共同的特点，他们都涉及类型推导。除了涉及类型推导之外，声明的形式必须是“T&&”这种格式才会是万能引用，所以以下代码都不符合条件：

?// 不是严格的T&&格式
?template<typename T>
?void f(std::vector<T>&& param);
??
?// const 同样改变了格式
?template<typename T>
?void f(const T&& param);
??
?// 特化的时候x的类型已经确定了
?template<class T, class Allocator = allocator<T>>
?class vector {
?public:
? ?void push_back(T&& x)
?};

反而是push_back的近亲emplace_back反而符合要求

?template<class T, class Allocator = allocator<T>>
?class vector {
?public:
? ?template<class... Args>
? ?void emplace_back(Args&&... args);
?};

条款二十五：针对右值引用实施std::move，针对万能引用实施std::forward

如果函数中多次使用到右值引用或者万能引用，而你想保证完成该对象的所有操作之前，其值不能被移走，就得在最后一次使用该引用时，才对其使用std::move或者std::forward。

虽然std::move和std::forward这么好，但是它们也有可能会阻止返回值优化这一机制。

返回值优化（RVO）

返回值优化就是可以将变量直接构建在返回值的内存上，避免返回时的复制操作，例如以下代码：

?Widget makeWidget() {
? ?Widget w;
? ?return w;
?}

支持返回值优化要符合以下两个条件：

1. 局部对象类型与返回值类型相同；

2. 返回的就是局部对象本身；

而在返回时添加std::move就会破坏这个条件，导致组织了返回值优化。

条款二十六：避免依万能引用型别进行重载

由于万能引用的优先级比隐式转换后匹配的优先级高，故如果使用万能引用进行重载，可能会优先调用万能引用版本的函数，造成意外的结果。

完美转发构造函数的问题尤其严重，因为对于非常量左值类型而言，它们一般都比复制构造函数更优先匹配到，而且也比基类中的复制和移动构造函数优先级高。

条款二十七：熟悉依万能引用型别进行重载的替代方案

1. 舍弃重载，改成不同函数名；

2. 回归C++98，放弃万能引用，使用const T&形参，就是会导致复制操作，在效率上有点差；

3. 按值传递，参考条款四十一；

4. 标签分派，即在对外函数的实际实现函数参数中加上std::true_type或std::false_type这样的标签，调用函数时通过传入的标签选择使用的函数版本；

5. 对接受万能引用的模板施加限制，使用std::enable_if启动万能引用模板，例如下面例子只对Person相关参数才能通过编译

?class Person {
?public:
? ?template<
? ? ?teypename T,
? ? ? ? ? ? ? ? ?// 打开开关
? ? ?typename = typename std::enable_if<
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// 判断类型是否相同
? ? ? ? ? ? ? ? ? !std::is_same<Person,
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// 去掉引用，const，volatile等修饰词
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? typename std::decay<T>::type
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?>::value
? ? ? ? ? ? ? ? >::type
? ?>
? ?explicit Person(T&& n);
?};
??
?// 支持基类版本
?class Person {
?public:
? ?template<
? ? ?teypename T,
? ? ? ? ? ? ? ? ?// 打开开关
? ? ?typename = typename std::enable_if<
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// 判断是否是继承关系
? ? ? ? ? ? ? ? ? !std::is_base_of<Person,
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// 去掉引用，const，volatile等修饰词
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? typename std::decay<T>::type
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?>::value
? ? ? ? ? ? ? ? >::type
? ?>
? ?explicit Person(T&& n);
?};
??
?// C++14版本
?class Person {
?public:
? ?template<
? ? ?teypename T,
? ? ? ? ? ? ? ? ?// 打开开关
? ? ?typename = typename std::enable_if_t<
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// 判断是否是继承关系
? ? ? ? ? ? ? ? ? !std::is_base_of<Person,
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// 去掉引用，const，volatile等修饰词
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? typename std::decay_t<T>
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?>::value
? ? ? ? ? ? ? ? >
? ?>
? ?explicit Person(T&& n);
?};

万能引用形参在性能方面具有优势，但是在易用性方面存在劣势，需要根据实际情况进行权衡。

条款二十八：理解引用折叠

什么是引用折叠？

其实就是出现引用的引用的时候的一种处理方式，将引用的引用变成单个引用。

引用折叠的判断规则？

如果引用的引用这里两个引用中有任一引用为左值引用，结果就是左值引用，否则为右值引用。

引用折叠发生的语境

1. 模板实例化；

2. auto类型的生成；

3. 创建和运用typedef和别名声明；

4. decltype；

注：万能引用就是在类型推导过程中会区分左值和右值，以及会发生引用折叠的语境中的右值引用。

条款二十九：假定移动操作不存在，成本高，未使用

不存在？

并不是所有的类型都支持移动操作，这样移动操作就变成了复制操作。

成本高？

对于std::array，15个字符以内的std::string等对象，由于数据直接内置了，移动操作依然需要复制数据，并不能更快。

未使用？

移动本可以发生的语境下，要求移动操作不可以抛出异常，但是该函数未加上noexcept声明，导致编译器还是选择了复制操作。

对于以上三种情况来看，只有对于类型或移动语义的支持情况已知的代码，才适合使用移动操作。

条款三十：熟悉完美转发的失败类型

什么是完美转发失败？

对于基础函数f和完美转发函数fwd，如果f(expressin)和fwd(expression)执行了不同的操作或者fwd推导失败的情形。

完美转发失败的类型

1. 大括号初始化，例如以下代码：

?void f（const std::vector<int>& v）;
??
?template<typename... Ts>
?void fwd(Ts&&... params) {
? ?f(std::forward<Ts>(param)...);
?}
??
?// 因为{}不是一个具体类型，所以编译器会被禁止在fwd的调用过程中从表达式中推导类型
?fwd({1,2,3});   // 错误，无法编译
??
?// 因为auto可以进行推导类型，所以如下修改
?auto i1 = {1,2,3};
?fwd(i1);    // 通过编译

1. 0和NULL用作空指针

0和NULL传递时一般会被推导成整形，应该使用nullptr。

1. 仅有声明的整形static const成员变量

?// 对于类中的整形static const变量可以只声明不定义
?class Widget {
? public：
? ?static const std::size_t MinVals = 28;    // 给出了MinVals的声明
?  ...
?};
?...     // 未给出MinVals的定义
??
?void f(std::size_t val);
??
?f(Widget::MinVals); // 没问题，当f(28)处理
?// 引用当指针处理的，需要有某块内存去指向，而这里没有
?fwd(Widget::MinVals);   // 错误，应该无法链接

1. 重载的函数名字和模板名字

对于函数名称作为参数时，其实就是个函数指针，并不带参数类型等函数签名，这样完美转发就无从判断具体是哪种重载函数的指针。

1. 位域，参考以下代码

?struct IPv4Header {
? ?std::uint32_t version:4,
? ? ? ? ? ? ? ? ?IHL:4,
? ? ? ? ? ? ? ? ?DSCP:6,
? ? ? ? ? ? ? ? ?ECN:2,
? ? ? ? ? ? ? ? ?totalLength:16;
?};
??
?void f(sd::size_t sz);
??
?IPv4Header h;
?...
?f(h.totalLength);   // 没问题
?// 引用无法绑定到位域
?fwd(h.totalLength); // 错误
??
?//修改成以下代码，复制位域值就可以
?auto length = static_cast<std::uint16_t>(h.totalLength);
?fwd(length);    // 转发该副本