C++移动语义与可选值处理

### C++ 移动语义与可选值处理 #### 1. 无移动语义时避免复制 在没有移动语义的情况下，通常通过指针分配对象并传递指针而非实际对象来避免复制问题。例如： ```cpp auto make_buffer() -> Buffer* { auto buffer = new Buffer({2.0, 4.0, 6.0, 8.0}); return buffer; } auto buffer = make_buffer(); // buffer 是 Buffer* ``` 这种方式存在一些缺点： - 失去了 C++ 值语义的优势，程序员仍需手动处理指针。 - 代码中充斥着仅用于优化的指针，变得臃肿。 - 需要更多的堆分配，可能因缓存未命中和分配增加导致代码变慢。 #### 2. 引入移动语义 为解决上述问题，“三法则”扩展为“五法则”。除了拷贝构造函数和拷贝赋值运算符，现在还有移动构造函数和移动赋值运算符。移动版本接受 `Buffer&&` 对象，`&&` 修饰符表示该参数是一个要进行移动操作而非复制的对象，在 C++ 中这被称为右值（r-value）。 以下是 `Buffer` 类添加移动构造函数和移动赋值运算符的示例： ```cpp class Buffer { ... Buffer(Buffer&& other) noexcept : ptr_{other.ptr_} , size_{other.size_} { other.ptr_ = nullptr; other.size_ = 0; } auto& operator=(Buffer&& other) noexcept { ptr_ = other.ptr_; size_ = other.size_; other.ptr_ = nullptr; other.size_ = 0; return *this; } ... }; ``` 当编译器检测到看似是复制操作，但被复制的值不再使用时，会使用无异常的移动构造函数或移动赋值运算符，而不是进行复制。注意要将移动构造函数和移动赋值运算符标记为 `noexcept`，否则 STL 容器和算法在某些情况下会使用常规的复制/赋值操作。 #### 3. 命名变量与右值 编译器在对象可被归类为右值时会进行移动操作。右值本质上是未与命名变量绑定的对象，主要有以下两种情况： - 直接从函数返回的对象。 - 使用 `std::move(...)` 将变量转换为右值。 以下是示例： ```cpp auto x = make_buffer(); // 从函数返回的对象未绑定到变量，因此移动到 x auto y = std::move(x); // x 被转换为右值，移动赋值给 y ``` 下面通过 `Bird` 类的 `set_song` 方法进一步说明： ```cpp class Bird { public: Bird() {} auto set_song(const std::string& s) { song_ = s; } auto set_song(std::string&& s) { song_ = std::move(s); } std::string song_; }; auto bird = Bird{}; ``` 不同调用情况如下： | 情况 | 代码示例 | 操作类型 | | ---- | ---- | ---- | | 情况 1 | `auto cuckoo_a = std::string{"I'm a Cuckoo"}; bird.set_song(cuckoo_a);` | 拷贝赋值 | | 情况 2 | `auto cuckoo_b = std::string{"I'm a Cuckoo"}; bird.set_song(std::move(cuckoo_b));` | 移动赋值 | | 情况 3 | `auto make_roast_song() { return std::string{"I'm a Roast"}; } bird.set_song(make_roast_song());` | 移动赋值 | | 情况 4 | `auto roast_song_a = make_roast_song(); bird.set_song(roast_song_a);` | 拷贝赋值 | | 情况 5 | `const auto roast_song_b = make_roast_song(); bird.set_song(std::move(roast_song_b));` | 拷贝赋值 | #### 4. 适用时按移动接受参数 考虑将 `std::string` 转换为小写的函数，原本可能需要两个函数分别处理不同情况： ```cpp auto str_to_lower(const std::string& s) -> std::string { auto clone = s; for(auto& c: clone) c = std::tolower(c); return clone; } auto str_to_lower(std::string&& s) -> std::string { for(auto& c: s) c = std::tolower(c); return s; } ``` 但通过按值接受 `std::string`，可以用一个函数处理两种情况： ```cpp auto str_to_lower(std::string s) -> std::string { for(auto& c: s) c = std::tolower(c); return s; } ``` 当传递常规变量时，函数调用前 `str` 的内容会被拷贝构造到 `s` 中，函数返回时再移动赋值回 `str`；当传递右值时，`str` 的内容在函数调用前会被移动构造到 `s` 中，函数返回时再移动赋值回 `str`，避免了不必要的复制。 #### 5. 默认移动语义与零法则 编译器可以生成移动构造函数和移动赋值运算符，我们可以使用 `default` 关键字强制编译器生成它们。例如 `Bird` 类： ```cpp class Bird { ... // 拷贝构造函数/拷贝赋值运算符 Bird(const Bird&) = default; auto operator=(const Bird&) -> Bird& = default; // 移动构造函数/移动赋值运算符 Bird(Bird&&) noexcept = default; auto operator=(Bird&&) noexcept -> Bird& = default; // 析构函数 ~Bird() = default; ... }; ``` 如果不声明任何自定义的拷贝构造函数、拷贝赋值运算符或析构函数，移动构造函数和移动赋值运算符会被隐式声明。但如果添加了自定义析构函数，移动运算符将不会被生成，类将始终进行复制操作。 在实际代码库中，需要手动编写拷贝/移动构造函数和拷贝/移动赋值运算符的情况应该很少。编写不需要显式编写这些函数的类通常被称为“零法则”。如果应用代码库中的类需要显式编写这些函数，这些代码可能更适合放在库部分。 #### 6. 空析构函数的注意事项