移动语义——它是什么？

Question

有可能是重复的问题：
请问有人能向我解释一下移动语义吗？

有人能给我提供一个好的来源或者在这里解释一下什么是移动语义吗？

- smallB

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@Armen: "Google跟这有什么关系？我最近查看的情况是，对于编程问题，SO比Google更好的资源。我相信SO的目标甚至是成为更好的编程问题资源。那么为什么有人要在Google搜索上浪费时间呢？90%的情况下，它们会直接指向SO上的问题，反正是一样的东西。” - jalf

@jalf: "请给我提供一个好的来源来解释什么是移动语义。" 我认为首先应该尝试通过谷歌搜索来了解，查看相关链接，如果不满意，再在问题中指出已经阅读了哪些内容并说明不满意的原因。但这只是我的个人观点。 - Armen Tsirunyan

以下是原始简介链接：http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2006/n2027.html - Howard Hinnant

Answer 1

暂时不要考虑C++0x。移动语义是一种与语言无关的东西——C++0x仅提供了一种使用移动语义进行操作的标准方法。

定义

移动语义定义了某些操作的行为。大多数情况下，它们与复制语义相对比，因此首先需要定义它们。

采用复制语义进行赋值的行为如下：

// Copy semantics
assert(b == c);
a = b;
assert(a == b && b == c);

即，a 最终等于 b，而我们不改变 b。

使用移动语义的赋值操作具有较弱的后置条件：

// Move semantics
assert(b == c);
move(a, b); // not C++0x
assert(a == c);

请注意，使用移动语义进行赋值后，不再保证 b 不发生变化。这是关键的区别。

用途

移动语义的一个好处是，在某些情况下可以进行优化。考虑以下常规值类型：

struct A { T* x; };

假设我们定义两个类型为 A 的对象相等，当且仅当它们的 x 成员指向相等的值。

bool operator==(const A& lhs, const A& rhs) { return *lhs.x == *rhs.x; }

假设我们定义一个对象A，它拥有其x成员的指针的独占所有权。

A::~A() { delete x; }
A::A(const A& rhs) : x(new T(rhs.x)) {}
A& A::operator=(const A& rhs) { if (this != &rhs) *x = *rhs.x; }

现在假设我们想要定义一个函数来交换两个A对象。

我们可以用常规的复制语义来完成它。

void swap(A& a, A& b)
{
    A t = a;
    a = b;
    b = t;
}

然而，这样做是不必要的低效率。我们在做什么？

- 我们将`a`复制到`t`中。 - 然后将`b`复制到`a`中。 - 接着将`t`复制到`b`中。 - 最后销毁`t`。

如果复制`T`对象的成本很高，则这种做法是浪费的。如果我让你交换计算机上的两个文件，您不会在销毁临时文件之前创建第三个文件，然后复制和粘贴文件内容吧？不需要复制数据，您会将一个文件移开，将第二个移动到第一个位置，最后将第一个文件移到第二个位置。

在我们的情况下，可以轻松移动类型为`A`的对象。

// Not C++0x
void move(A& lhs, A& rhs)
{
    lhs.x = rhs.x;
    rhs.x = nullptr;
}

我们只需将rhs的指针移动到lhs，然后放弃rhs对该指针的所有权（通过将其设置为null）。这应该可以解释为什么移动语义的较弱后置条件允许优化。

有了这个新的移动操作定义，我们可以定义一个优化的交换：

void swap(A& a, A& b)
{
    A t;
    move(t, a);
    move(a, b);
    move(b, t);
}

移动语义的另一个优点是它允许您移动无法被复制的对象。一个主要的例子就是 std::auto_ptr。

C++0x

C++0x通过其右值引用特性实现了移动语义。具体来说，这种操作：

a = b;

当b是右值引用（拼写为T&&）时，具有移动语义，否则具有复制语义。当b不是右值引用时，您可以使用std::move函数（与我之前定义的move不同）来强制使用移动语义：

a = std::move(b);

std::move 是一个简单的函数，它本质上将其参数转换为右值引用。请注意，表达式（例如函数调用）的结果自动成为右值引用，因此您可以在这些情况下利用移动语义而无需更改代码。

要定义移动优化，您需要定义移动构造函数和移动赋值运算符：

T::T(T&&);
T& operator=(T&&);

由于这些操作具有移动语义，您可以自由修改传递的参数（前提是保持对象处于可析构状态）。

结论

基本上就是这样。请注意，rvalue引用也用于允许C++0x中的完美转发（由于特别制作的类型系统相互作用），但这与移动语义并没有真正相关，因此我没有在此处讨论它。

- Peter Alexander

Answer 2

基本上，右值引用允许您检测对象是否为临时对象，并且您无需保留其内部状态。这样可以实现更高效的代码，在C++03中需要一直复制的情况下，在C++0x中可以重复使用相同的资源。此外，右值引用还实现了完美转发。

请参阅此答案。

- Puppy

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移动语义和右值引用是不同（但相关）的概念。它们之间的关系是，对右值引用的赋值保证了移动语义的有效性。移动语义可以存在而没有右值引用，而右值引用也可以存在而没有与移动语义的操作。它们只是很好地协同工作（就像不可变性和并发性一样）。 - Peter Alexander

Answer 3

我阅读了一年的文本解释，但并没有完全理解有关r-value引用的所有内容，直到我观看了Scott Meyer的这个精彩演讲：http://skillsmatter.com/podcast/home/move-semanticsperfect-forwarding-and-rvalue-references

他以幽默慢条斯理的方式解释，让人可以理解每个过程中发生的事情。

我知道，时长1小时30分钟，但实际上，这是我去年听到的最好的解释。

在阅读了文章（像其他答案一样）之后，观看这个视频将它们融合在我的脑海中，使我能够连贯地向同事解释如何使用std::unique_ptr（因为它仅允许移动语义，而不是复制），需要理解std::move()，它又需要理解移动语义。

- Klaim

Answer 4

很高兴看到这样的问题，我很愿意分享我的观点。我认为你在问关于C++语言本身指定的错误修复，而不仅仅是另一个C++语言特性。这个“错误”已经存在了数十年。即，拷贝构造函数。

如果你知道物理学中有很多东西不能被复制，比如能量和质量，那么拷贝构造函数似乎就很奇怪。这只是个玩笑，但实际上，在编程世界中，像独占文件描述符这样的对象是不可复制的。因此，C++程序员和设计师发明了一些技巧来处理这个问题。其中有三个著名的技巧：NRVO、boost::noncopyable和std::auto_ptr。

NRVO（命名返回值优化）是一种技术，它使函数可以通过值返回对象，而不调用拷贝构造函数。但是，NRVO的问题在于，虽然实际上没有调用拷贝构造函数，但仍需要一个public拷贝构造函数声明，这意味着boost::noncopyable对象与NRVO不兼容。 std::auto_ptr是另一种绕过拷贝构造函数的尝试。你可能已经看到过它的“拷贝构造函数”的实现方式。

template <typename _T>
auto_ptr(auto_ptr<_T>& source)
{
     _ptr = source._ptr; // where _ptr is the pointer to the contained object
     source._ptr = NULL;
}

这并不是一份复制，而是一份"移动"。你可以把这种行为看作是移动语义的原型。

但是，std::auto_ptr也有自己的问题：它与STL容器不兼容。所以，不幸的是，任何关于不可复制的东西都是痛苦的。

直到C++0x移动语义最终由编译器制造商发布和实现之前，这都是令人痛苦的。

简单来说，你可以将移动语义视为与std::auto_ptr的"复制"行为相同的东西，但由于语言特性的全面支持，它可以很好地与容器和算法一起使用。

顺便说一下，在C++0x中，std::auto_ptr已被弃用，推荐使用一个新的模板类型std::unique_ptr。

我的故事到此结束。如果你想了解更多关于奇怪的语法和右值系统等方面的知识，请参考其他文章。

- neuront