C++11 std::move和std::forward


下文先从C++11引入的几个规则,如引用折叠、右值引用的特殊类型推断规则、static_cast的扩展功能说起,然后通过例子解析std::move和std::forward的推导解析过程,说明std::move和std::forward本质就是一个转换函数,std::move执行到右值的无条件转换,std::forward执行到右值的有条件转换,在参数都是右值时,二者就是等价的。其实std::move和std::forward就是在C++11基本规则之上封装的语法糖。

1 引入的新规则

规则1(引用折叠规则):如果间接的创建一个引用的引用,则这些引用就会“折叠”。在所有情况下(除了一个例外),引用折叠成一个普通的左值引用类型。一种特殊情况下,引用会折叠成右值引用,即右值引用的右值引用, T&& &&。即

  • X& &、X& &&、X&& &都折叠成X&
  • X&& &&折叠为X&&

规则2(右值引用的特殊类型推断规则):当将一个左值传递给一个参数是右值引用的函数,且此右值引用指向模板类型参数(T&&)时,编译器推断模板参数类型为实参的左值引用,如

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

int i = 42;
f(i)

 

上述的模板参数类型T将推断为int&类型,而非int。

若将规则1和规则2结合起来,则意味着可以传递一个左值int i给f,编译器将推断出T的类型为int&。再根据引用折叠规则 void f(int& &&)将推断为void f(int&),因此,f将被实例化为: void f<int&>(int&)。

从上述两个规则可以得出结论:如果一个函数形参是一个指向模板类型的右值引用,则该参数可以被绑定到一个左值上,即类似下面的定义:

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

规则3:虽然不能隐式的将一个左值转换为右值引用,但是可以通过static_cast显示地将一个左值转换为一个右值。【C++11中为static_cast新增的转换功能】。

2 std::move

2.1 std::move的使用

class Foo
{
public:
    std::string member;

    // Copy member.
    Foo(const std::string& m): member(m) {}

    // Move member.
    Foo(std::string&& m): member(std::move(m)) {}
};

 

上述Foo(std::string&& member)中的member是rvalue reference,但是member却是一个左值lvalue,因此在初始化列表中需要使用std::move将其转换成rvalue。

2.2 std::move()解析

标准库中move的定义如下:

template<typename T> typename remove_reference<T>::type && move(T&& t) { return static_cast<typename remove_reference<T>::type &&>(t); } 
  • move函数的参数T&&是一个指向模板类型参数的右值引用【规则2】,通过引用折叠,此参数可以和任何类型的实参匹配,因此move既可以传递一个左值,也可以传递一个右值;
  • std::move(string("hello"))调用解析:
    • 首先,根据模板推断规则,确地T的类型为string;
    • typename remove_reference<T>::type && 的结果为 string &&;
    • move函数的参数类型为string&&;
    • static_cast<string &&>(t),t已经是string&&,于是类型转换什么都不做,返回string &&;
  • string s1("hello"); std::move(s1); 调用解析:
    • 首先,根据模板推断规则,确定T的类型为string&;
    • typename remove_reference<T>::type && 的结果为 string&
    • move函数的参数类型为string& &&,引用折叠之后为string&;
    • static_cast<string &&>(t),t是string&,经过static_cast之后转换为string&&, 返回string &&;

从move的定义可以看出,move自身除了做一些参数的推断之外,返回右值引用本质上还是靠static_cast<T&&>完成的。

因此下面两个调用是等价的,std::move就是个语法糖。

void func(int&& a)
{
    cout << a << endl;
}

int a = 6;
func(std::move(a));

int b = 10;
func(static_cast<int&&>(b)); 

 

std::move执行到右值的无条件转换。就其本身而言,它没有move任何东西。

3 std::forward()

3.1 完美转发

完美转发实现了参数在传递过程中保持其值属性的功能,即若是左值,则传递之后仍然是左值,若是右值,则传递之后仍然是右值。

C++11 lets us perform perfect forwarding, which means that we can forward the parameters passed to a function template to another function call inside it without losing their own qualifiers (const-ref, ref, value, rvalue, etc.).

3.2 std::forward()解析

std::forward只有在它的参数绑定到一个右值上的时候,它才转换它的参数到一个右值。

class Foo
{
public:
    std::string member;

    template<typename T>
    Foo(T&& member): member{std::forward<T>(member)} {}
};

 

传递一个lvalue或者传递一个const lvaue

  • 传递一个lvalue,模板推导之后 T = std::string&
  • 传递一个const lvaue, 模板推导之后T = const std::string&
  • T& &&将折叠为T&,即std::string& && 折叠为 std::string&
  • 最终函数为: Foo(string& member): member{std::forward<string&>(member)} {}
  • std::forward<string&>(member)将返回一个左值,最终调用拷贝构造函数

传递一个rvalue

  • 传递一个rvalue,模板推导之后 T = std::string
  • 最终函数为: Foo(string&& member): member{std::forward<string>(member)} {}
  • std::forward<string>(member) 将返回一个右值,最终调用移动构造函数;

std::move和std::forward本质都是转换。std::move执行到右值的无条件转换。std::forward只有在它的参数绑定到一个右值上的时候,才转换它的参数到一个右值。

std::move没有move任何东西,std::forward没有转发任何东西。在运行期,它们没有做任何事情。它们没有产生需要执行的代码,一byte都没有。

4 std::move()和std::forward()对比

  • std::move执行到右值的无条件转换。就其本身而言,它没有move任何东西。
  • std::forward只有在它的参数绑定到一个右值上的时候,它才转换它的参数到一个右值。
  • std::move和std::forward只不过就是执行类型转换的两个函数;std::move没有move任何东西,std::forward没有转发任何东西。在运行期,它们没有做任何事情。它们没有产生需要执行的代码,一byte都没有。
  • std::forward<T>()不仅可以保持左值或者右值不变,同时还可以保持const、Lreference、Rreference、validate等属性不变;

5 一个完整的例子

#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <typeinfo>
#include <memory>
using namespace std;

struct A
{
    A(int&& n)
    {
        cout << "rvalue overload, n=" << n << endl;
    }
    A(int& n)
    {
        cout << "lvalue overload, n=" << n << endl;
    }
};

class B
{
public:
    template<class T1, class T2, class T3>
    B(T1 && t1, T2 && t2, T3 && t3) :
        a1_(std::forward<T1>(t1)),
        a2_(std::forward<T2>(t2)),
        a3_(std::forward<T3>(t3))
    {

    }
private:
    A a1_, a2_, a3_;
};

template <class T, class U>
std::unique_ptr<T> make_unique1(U&& u)
{
    //return std::unique_ptr<T>(new T(std::forward<U>(u)));
    return std::unique_ptr<T>(new T(std::move(u)));
}

template <class T, class... U>
std::unique_ptr<T> make_unique(U&&... u)
{
    //return std::unique_ptr<T>(new T(std::forward<U>(u)...));
    return std::unique_ptr<T>(new T(std::move(u)...));
}

int main()
{
    auto p1 = make_unique1<A>(2);

    int i = 10;
    auto p2 = make_unique1<A>(i);

    int j = 100;
    auto p3 = make_unique<B>(i, 2, j);
    return 0;
}

 

georgeguo

 

#include <iostream> // std::cout
#include <type_traits> // std::is_same
 
template<class T1, class T2>
void print_is_same() {
  std::cout << std::is_same<T1, T2>() << '\n';
}
 
int main() {
  std::cout << std::boolalpha;
 
  print_is_same<int, int>();
  print_is_same<int, int &>();
  print_is_same<int, int &&>();
 
  print_is_same<int, std::remove_reference<int>::type>();
  print_is_same<int, std::remove_reference<int &>::type>();
  print_is_same<int, std::remove_reference<int &&>::type>();
}

 

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