# 03 | 右值和移动究竟解决了什么问题？

    你好，我是吴咏炜。

从上一讲智能指针开始，我们已经或多或少接触了移动语义。本讲我们就完整地讨论一下移动语义和相关的概念。移动语义是 C++11 里引入的一个重要概念；理解这个概念，是理解很多现代 C++ 里的优化的基础。

## 值分左右

我们常常会说，C++ 里有左值和右值。这话不完全对。标准里的定义实际更复杂，规定了下面这些值类别（value categories）：

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/18/3c/18b692072537d4ce179d3857a8a0133c.png?wh=720*576)

我们先理解一下这些名词的字面含义：

*   一个 lvalue 是通常可以放在等号左边的表达式，左值
*   一个 rvalue 是通常只能放在等号右边的表达式，右值
*   一个 glvalue 是 generalized lvalue，广义左值
*   一个 xvalue 是 expiring value，将亡值
*   一个 prvalue 是 pure rvalue，纯右值

还是有点晕，是吧？我们暂且抛开这些概念，只看其中两个：lvalue 和 prvalue。

左值 lvalue 是有标识符、可以取地址的表达式，最常见的情况有：

*   变量、函数或数据成员的名字
*   返回左值引用的表达式，如 `++x`、`x = 1`、`cout << ' '`
*   字符串字面量如 `"hello world"`

在函数调用时，左值可以绑定到左值引用的参数，如 `T&`。一个常量只能绑定到常左值引用，如 `const T&`。

反之，纯右值 prvalue 是没有标识符、不可以取地址的表达式，一般也称之为“临时对象”。最常见的情况有：

*   返回非引用类型的表达式，如 `x++`、`x + 1`、`make_shared<int>(42)`
*   除字符串字面量之外的字面量，如 `42`、`true`

在 C++11 之前，右值可以绑定到常左值引用（const lvalue reference）的参数，如 `const T&`，但不可以绑定到非常左值引用（non-const lvalue reference），如 `T&`。从 C++11 开始，C++ 语言里多了一种引用类型——右值引用。右值引用的形式是 `T&&`，比左值引用多一个 `&` 符号。跟左值引用一样，我们可以使用 `const` 和 `volatile` 来进行修饰，但最常见的情况是，我们不会用 `const` 和 `volatile` 来修饰右值。本专栏就属于这种情况。

引入一种额外的引用类型当然增加了语言的复杂性，但也带来了很多优化的可能性。由于 C++ 有重载，我们就可以根据不同的引用类型，来选择不同的重载函数，来完成不同的行为。回想一下，在上一讲中，我们就利用了重载，让 `smart_ptr` 的构造函数可以有不同的行为：

```c++
template <typename U>
smart_ptr(const smart_ptr<U>& other) noexcept
{
  ptr_ = other.ptr_;
  if (ptr_) {
    other.shared_count_->add_count();
    shared_count_ =
      other.shared_count_;
  }
}
template <typename U>
smart_ptr(smart_ptr<U>&& other) noexcept
{
  ptr_ = other.ptr_;
  if (ptr_) {
    shared_count_ =
      other.shared_count_;
    other.ptr_ = nullptr;
  }
}

```

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：

```c++
smart_ptr<shape> ptr1{new circle()};
smart_ptr<shape> 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：

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/03/5a/036cc6865a9623a48918b504e408945a.png?wh=768*830)

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：

```c++
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：

```c++
#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：

```c++
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：

```c++
#include <utility>  // 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：

*   少了一次 `other.shared_count_->add_count()` 的调用
*   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）：

```c++
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：

```c++
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：

```c++
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：

*   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`）。
*   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。
*   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。
*   实现通用的 `operator=`。
*   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`：

*   `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。

```c++
smart_ptr(const smart_ptr& other) noexcept
{
  ptr_ = other.ptr_;
  if (ptr_) {
    other.shared_count_
      ->add_count();
    shared_count_ =
      other.shared_count_;
  }
}
template <typename U>
smart_ptr(const smart_ptr<U>& other) noexcept
{
  ptr_ = other.ptr_;
  if (ptr_) {
    other.shared_count_
      ->add_count();
    shared_count_ =
      other.shared_count_;
  }
}
template <typename U>
smart_ptr(smart_ptr<U>&& other) noexcept
{
  ptr_ = other.ptr_;
  if (ptr_) {
    shared_count_ =
      other.shared_count_;
    other.ptr_ = nullptr;
  }
}

```

*   `smart_ptr` 有 `swap` 成员函数。

```c++
void swap(smart_ptr& rhs) noexcept
{
  using std::swap;
  swap(ptr_, rhs.ptr_);
  swap(shared_count_,
       rhs.shared_count_);
}

```

*   有支持 `smart_ptr` 的全局 `swap` 函数。

```c++
template <typename T>
void swap(smart_ptr<T>& lhs,
          smart_ptr<T>& rhs) noexcept
{
  lhs.swap(rhs);
}

```

*   `smart_ptr` 有通用的 `operator=` 成员函数。注意为了避免让人吃惊，通常我们需要将其实现成对 `a = a;` 这样的写法安全。下面的写法算是个小技巧，对传递左值和右值都有效，而且规避了 `if (&rhs != this)` 这样的判断。

```c++
  smart_ptr&
  operator=(smart_ptr rhs) noexcept
  {
    rhs.swap(*this);
    return *this;
  }

```

## 不要返回本地变量的引用

有一种常见的 C++ 编程错误，是在函数里返回一个本地对象的引用。由于在函数结束时本地对象即被销毁，返回一个指向本地对象的引用属于未定义行为。理论上来说，程序出任何奇怪的行为都是正常的。

在 C++11 之前，返回一个本地对象意味着这个对象会被拷贝，除非编译器发现可以做返回值优化（named return value optimization，或 NRVO），能把对象直接构造到调用者的栈上。从 C++11 开始，返回值优化仍可以发生，但在没有返回值优化的情况下，编译器将试图把本地对象移动出去，而不是拷贝出去。这一行为不需要程序员手工用 `std::move` 进行干预——使用 `std::move` 对于移动行为没有帮助，反而会影响返回值优化。

下面是个例子：

```c++
#include <iostream>  // std::cout/endl
#include <utility>   // std::move

using namespace std;

class Obj {
public:
  Obj()
  {
    cout << "Obj()" << endl;
  }
  Obj(const Obj&)
  {
    cout << "Obj(const Obj&)"
       << endl;
  }
  Obj(Obj&&)
  {
    cout << "Obj(Obj&&)" << endl;
  }
};

Obj simple()
{
  Obj obj;
  // 简单返回对象；一般有 NRVO
  return obj;
}

Obj simple_with_move()
{
  Obj obj;
  // move 会禁止 NRVO
  return std::move(obj);
}

Obj complicated(int n)
{
  Obj obj1;
  Obj obj2;
  // 有分支，一般无 NRVO
  if (n % 2 == 0) {
    return obj1;
  } else {
    return obj2;
  }
}

int main()
{
  cout << "*** 1 ***" << endl;
  auto obj1 = simple();
  cout << "*** 2 ***" << endl;
  auto obj2 = simple_with_move();
  cout << "*** 3 ***" << endl;
  auto obj3 = complicated(42);
}

```

输出通常为：

> `*** 1 ***`  
> `Obj()`  
> `*** 2 ***`  
> `Obj()`  
> `Obj(Obj&&)`  
> `*** 3 ***`  
> `Obj()`  
> `Obj()`  
> `Obj(Obj&&)`

也就是，用了 `std::move` 反而妨碍了返回值优化。

## 引用坍缩和完美转发

最后讲一个略复杂、但又不得不讲的话题，引用坍缩（又称“引用折叠”）。这个概念在泛型编程中是一定会碰到的。我们今天既然讲了左值和右值引用，也需要一起讲一下。

我们已经讲了对于一个实际的类型 `T`，它的左值引用是 `T&`，右值引用是 `T&&`。那么：

1.  是不是看到 `T&`，就一定是个左值引用？
2.  是不是看到 `T&&`，就一定是个右值引用？

对于前者的回答是“是”，对于后者的回答为“否”。

关键在于，在有模板的代码里，对于类型参数的推导结果可能是引用。我们可以略过一些繁复的语法规则，要点是：

*   对于 `template <typename T> foo(T&&)` 这样的代码，如果传递过去的参数是左值，`T` 的推导结果是左值引用；如果传递过去的参数是右值，`T` 的推导结果是参数的类型本身。
*   如果 `T` 是左值引用，那 `T&&` 的结果仍然是左值引用——即 `type& &&` 坍缩成了 `type&`。
*   如果 `T` 是一个实际类型，那 `T&&` 的结果自然就是一个右值引用。

我们之前提到过，右值引用变量仍然会匹配到左值引用上去。下面的代码会验证这一行为：

```c++
void foo(const shape&)
{
  puts("foo(const shape&)");
}

void foo(shape&&)
{
  puts("foo(shape&&)");
}

void bar(const shape& s)
{
  puts("bar(const shape&)");
  foo(s);
}

void bar(shape&& s)
{
  puts("bar(shape&&)");
  foo(s);
}

int main()
{
  bar(circle());
}

```

输出为：

> `bar(shape&&)`  
> `foo(const shape&)`

如果我们要让 `bar` 调用右值引用的那个 foo 的重载，我们必须写成：

```c++
foo(std::move(s));

```

或：

```c++
foo(static_cast<shape&&>(s));

```

可如果两个 `bar` 的重载除了调用 `foo` 的方式不一样，其他都差不多的话，我们为什么要提供两个不同的 `bar` 呢？

事实上，很多标准库里的函数，连目标的参数类型都不知道，但我们仍然需要能够保持参数的值类别：左值的仍然是左值，右值的仍然是右值。这个功能在 C++ 标准库中已经提供了，叫 `std::forward`。它和 `std::move` 一样都是利用引用坍缩机制来实现。此处，我们不介绍其实现细节，而是重点展示其用法。我们可以把我们的两个 `bar` 函数简化成：

```c++
template <typename T>
void bar(T&& s)
{
  foo(std::forward<T>(s));
}

```

对于下面这样的代码：

```c++
circle temp;
bar(temp);
bar(circle());

```

现在的输出是：

> `foo(const shape&)`  
> `foo(shape&&)`

一切如预期一样。

因为在 `T` 是模板参数时，`T&&` 的作用主要是保持值类别进行转发，它有个名字就叫“转发引用”（forwarding reference）。因为既可以是左值引用，也可以是右值引用，它也曾经被叫做“万能引用”（universal reference）。

## 内容小结

本讲介绍了 C++ 里的值类别，重点介绍了临时变量、右值引用、移动语义和实际的编程用法。由于这是 C++11 里的重点功能，你对于其基本用法需要牢牢掌握。

## 课后思考

留给你两道思考题：

1.  请查看一下标准函数模板 `make_shared` 的声明，然后想一想，这个函数应该是怎样实现的。
2.  为什么 `smart_ptr::operator=` 对左值和右值都有效，而且不需要对等号两边是否引用同一对象进行判断？

欢迎留言和我交流你的看法，尤其是对第二个问题。

## 参考资料

\[1\] cppreference.com, “Value categories”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/language/value\_category](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/value_category)

\[1a\] cppreference.com, “值类别”. [https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/value\_category](https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/value_category)

\[2\] Anders Schau Knatten, “lvalues, rvalues, glvalues, prvalues, xvalues, help!”. [https://blog.knatten.org/2018/03/09/lvalues-rvalues-glvalues-prvalues-xvalues-help/](https://blog.knatten.org/2018/03/09/lvalues-rvalues-glvalues-prvalues-xvalues-help/)

\[3\] Jeaye, “Value category cheat-sheet”. [https://blog.jeaye.com/2017/03/19/xvalues/](https://blog.jeaye.com/2017/03/19/xvalues/)

\[4\] Thomas Becker, “C++ rvalue references explained”. [http://thbecker.net/articles/rvalue\_references/section\_01.html](http://thbecker.net/articles/rvalue_references/section_01.html)

\[5\] Herb Sutter, “GotW #88: A candidate for the ‘most important const’”. [https://herbsutter.com/2008/01/01/gotw-88-a-candidate-for-the-most-important-const/](https://herbsutter.com/2008/01/01/gotw-88-a-candidate-for-the-most-important-const/)