item 23: 理解std::move和std::forward


本文翻譯自《effective modern C++》,由於水平有限,故無法保證翻譯完全正確,歡迎指出錯誤。謝謝!

博客已經遷移到這里啦

根據std::move和std::forward不能做什么來熟悉它們是一個好辦法。std::move沒有move任何東西,std::forward沒有轉發任何東西。在運行期,它們沒有做任何事情。它們沒有產生需要執行的代碼,一byte都沒有。

std::move和std::forward只不過就是執行cast的兩個函數(實際上是函數模板)。std::move無條件地把它的參數轉換成一個右值,而std::forward只在特定條件滿足的情況下執行這個轉換。就是這樣了,我的解釋又引申出一系列的新問題,但是,基本上來說,上面說的就是全部內容了。

為了讓內容更加形象,這里給出C++11中std::move實現的一個例子。它沒有完全遵循標准的細節,但是很接近了。

template<typename T>								//在命名空間std中
typename remove_reference<T>::type&&
move(T&& param)
{
	using ReturnType =								//別名聲明
		typename remove_reference<T>::type&&;		//看Item 9

	return static_cast<ReturnType>(param);
}

我已經幫你把代碼的兩個部分高亮(move和static_cast)顯示了。一個是函數的名字,因為返回值類型挺復雜的,我不想讓你在這復雜的地方浪費時間。另一個地方是包括了這個函數的本質(cast)。就像你看到的那樣,std::move需要一個對象的引用(准確地說是一個universal引用,看Item 24),並且返回同一個對象的引用。

函數返回值類型的“&&”部分暗示了std::move返回一個右值引用,但是,就像Item 28解釋的那樣,如果類型T恰好是左值引用,T&&將成為一個左值引用。為了防止這樣的事情發生,type trait(看Item 9)std::remove_reference被用在T上了,因此能保證把“&&”加在不是引用的類型上。這樣能保證讓std::move確切地返回一個右值引用,並且這是很重要的,因為由函數返回的右值引用是一個右值。因此,std::move所做的所有事情就是轉換它的參數為一個右值。

說句題外話,在C++14中std::move能被實現得更簡便一些。多虧了函數返回值類型推導(看Item 3)以及標准庫的別名模板std::remove_reference_t(看Item 9),std::move能被寫成這樣:

template<typename T>
decltype(auto) move(T&& param)
{
	using ReturnType = remove_reference_t<T>&&;
	return static_cast<ReturnType>(param);
}

看上去更簡單了,不是嗎?

因為std::move值只轉換它的參數為右值,這里有一些更好的名字,比如說rvalue_cast。盡管如此,我們仍然使用std::move作為它的名字,所以記住std::move做了什么和沒做什么很重要。它做的是轉換,沒有做move。

當然了,右值是move的候選人,所以把std::move應用在對象上能告訴編譯器,這個對象是有資格被move的。這也就是為什么std::move有這樣的名字:能讓指定的對象更容易被move。

事實上,右值是move的唯一候選人。假設你寫了一個代表注釋的類。這個類的構造函數有一個std::string的參數,並且它拷貝參數到一個數據成員中。根據Item 41中的信息,你聲明一個傳值的參數:

class Annotation {
public:
	explicit Annotation(std::string text);		// 要被拷貝的參數
												// 根據Item 41,聲明為傳值的
	...
};

但是Annotation的構造函數只需要讀取text的值。它不需要修改它。為了符合歷史傳統(把const用在任何可以使用的地方),你修改了你的聲明,因此text成為了const的:

class Annotation {
public:
	explicit Annotation(const std::string text)
	...
};

為了在拷貝text到數據成員的時候不把時間浪費在拷貝操作上,你保持Item 41的建議並且把std::move用在text上,因此產生了一個右值:

class Annotation {
public:
	explicit Annotation(const std::string text)
	:value(std::move(text))		// “move” text到value中去;這段代碼
	{...}							//做的事情不像看上去那樣

	...

private:
	std::string value;
};

代碼能夠編譯。代碼能夠鏈接。代碼能夠執行。代碼把數據成員value的值設為text的內容。這段代碼同完美的代碼(你所要的版本)之間的唯一不同之處就是text不是被move到value中去的,它是拷貝過去的。當熱,text通過std::move轉換成了一個右值,但是text被聲明為一個const std::string,所以在轉換之前,text是一個左值const std::string,然后轉換的結果就是一個右值const std::string,但是一直到最后,const屬性保留下來了。

考慮一下const對於編譯器決定調用哪個std::string構造函數有什么影響。這里有兩種可能:

class string {						// std::string實際上是
public:								// std::basic_string<char>的一個typedef
	...
	string(const string& rhs);		// 拷貝構造函數
	string(string& rhs);			// move構造函數
	...
};

在Annotation的構造函數的成員初始化列表中,std::move(text)的結果是一個const std::string的右值。這個右值不能傳給std::string的move構造函數,因為move構造函數只接受非const std::string的右值引用。但是,這個右值能被傳給拷貝構造函數,因為一個lvalue-reference-to-const(引用const的左值)能被綁定到一個const右值上去。因此即使text已經被轉化成了一個右值,成員初始化列表還是調用了std::string中的拷貝構造函數。這樣的行為本質上是為了維持const的正確性。一般把一個值move出去就相當於改動了這個對象,所以C++不允許const對象被傳給一個能改變其自身的函數(比如move構造函數)。

我們從這個例子中得到兩個教訓。第一,如果你想要讓一個對象能被move,就不要把這個對象聲明為const。在const對象上的move請求會被默認地轉換成拷貝操作。第二,std::move事實上沒有move任何東西,它甚至不能保證它轉換出來的對象能有資格被move。你唯一能知道的事情就是,把std::move用在一個對象之后,它變成了一個右值。

std::forward的情況和std::move相類似,但是std::move是無條件地把它的參數轉換成右值的,而std::forward只在確定條件下才這么做。std::forward是一個有條件的轉換。為了理解它什么時候轉換,什么時候不轉換,回憶一下std::forward是怎么使用的。最常見的情況就是,一個帶universal引用的參數被傳給另外一個參數:

void process(const Widget& lvalArg);			// 參數為左值
void process(Widget&& rvalArg);					// 參數為右值

template<typename T>							// 把參數傳給process
void logAndProcess(T&& param)					// 的模板
{
	auto now =
		std::chrono::system_clock::now();		// 取得正確的時間

		makeLogEntry("Calling 'process'", now);
		process(std::forward<T>(param));
}

考慮一下兩個logAndProcess調用,一個使用左值,另外一個使用右值:

Widget w;

logAndProcess(w);				// 用左值調用
logAndProcess(std::move(w));	// 用右值調用

在logAndProcess內部,參數param被傳給process函數。process重載了左值和右值兩個版本。當我們用左值調用logAndProcess的時候,我們自然是希望這個左值作為一個左值被轉發給process,然后當我們使用右值調用logAndProcess時,我們希望右值版本的process被調用。

但是param就和所有的函數參數一樣,是一個左值。因此在logAndProcess內部總是調用左值版本的process。為了防止這樣的事情發生,我們需要一種機制來讓param在它被一個右值初始化(傳給logAndProcess的參數)的時候轉換成右值。這正好就是std::forward做的事情。這也就是為什么std::forward是一個條件轉換:它只把用右值初始化的參數轉換成右值。

你可能會奇怪std::forward怎么知道他的參數是不是用右值初始化的。舉個例子吧,在上面的代碼中,std::forward怎么會知道param是被左值還是右值初始化的呢?簡單來說就是這個信息被包含在logAndProcess的模板參數T中了。這個參數被傳給了std::forward,這樣就讓std::forward得知了這個信息。它具體怎么工作的細節請參考Item 28。

考慮到std::move和std::forward都被歸結為轉換,不同之處就是std::move總是執行轉換,但是std::forward只在有些情況下執行轉換,你可能會問我們是不是可以去掉std::move並且在所有的地方都只使用std::forward。從技術的角度來看,回答是可以:std::forward能做到所有的事情。std::move不是必須的。當然,這兩個函數函數都不是“必須的”,因為我們能在使用的地方寫cast,但是我希望我們能同意它們是必須的函數,好吧,真是令人心煩的事。

std::move的優點是方便,減少相似的錯誤,並且更加清晰。考慮一個類,對於這個類我們想要記錄它的move構造函數被調用了多少次。一個能在move構造的時候自增的static計數器就是我們需要的東西了。假設這個類中唯一的非static數據是一個std::string,這里給出通常的辦法(也就是使用std::move)來實現move構造函數:

class Widget {
public:
	Widget(Widget&& rhs)
	: s(std::move(rhs.s))
	{ ++moveCtorCalls;}
}

...

private:

 static std::size_t moveCtorCalls;
 std::string s;
};

為了用std::forward來實現相同的行為,代碼看起來像是這樣的:

class Widget {
public:
	Widget(Wdiget&& rhs)					//不常見,以及不受歡迎的實現
	: s(std::forward<std::string>(rhs.s))
	//譯注:為什么是std::string請看Item 1,用右值傳入std::string&& str的話
	//推導的結果T就是std::string,用左值傳入,則推導的結果T會是std::string&
	//然后這個T就需要拿來用作forward的模板類型參數了。
	//詳細的解釋可以參考Item28
	{ ++moveCtorCalls; }
};

首先注意std::move只需要一個函數參數(rhs.s),而std::forward卻需要一個函數參數(rhs.s)以及一個模板類型參數(std::string)。然后注意一下我們傳給std::forward的類型應該是一個非引用類型,因為我們約定好傳入右值的時候要這么編碼(傳入一個非引用類型,看Item 28)。也就是說,這意味着std::move需要輸入的東西比std::forward更少,還有,它去掉了我們傳入的參數是右值時的麻煩(記住類型參數的編碼)。它也消除了我們傳入錯誤類型(比如,std::string&,這會導致數據成員用拷貝構造函數來替換move構造函數)的可能。

更加重要的是,使用std::move表示無條件轉換到一個右值,然后使用std::forward表示只有引用的是右值時才轉換到右值。這是兩種非常不同的行為。第一個常常執行move操作,但是第二個只是傳遞(轉發)一個對象給另外一個函數並且保留它原始的左值屬性或右值屬性。因為這些行為如此地不同,所以我們使用兩個函數(以及函數名)來區分它們是很好的主意。

你要記住的事
  • std::move執行到右值的無條件轉換。就其本身而言,它沒有move任何東西。
  • std::forward只有在它的參數綁定到一個右值上的時候,它才轉換它的參數到一個右值。
  • std::move和std::forward在運行期都沒有做任何事情。


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