[C/C++]關于C++11中的std::move和std::forward

http://blog.sina.com.cn/s/blog_53b7ddf00101p5t0.html

std::move是一個用于提示優化的函數，過去的c++98中，由于無法將作為右值的臨時變量從左值當中區別出來，所以程序運行時有大量臨時變量白白的創建后又立刻銷毀，其中又尤其是返回字符串std::string的函數存在最大的浪費。

比如：

1 std::string fileContent = “oldContent”;

2 s = readFileContent(fileName);

因為并不是所有情況下，C++編譯器都能進行返回值優化，所以，向上面的例子中，往往會創建多個字符串。readFileContent如果沒有內部狀態，那么，它的返回值多半是std::string（const std::string的做法不再被推薦了），而不是const std::string&。這是一個浪費，函數的返回值被拷貝到s中后，棧上的臨時對象就被銷毀了。

在C++11中，編碼者可以主動提示編譯器，readFileContent返回的對象是臨時的，可以被挪作他用：std::move。

將上面的例子改成：

1 std::string fileContent = “oldContent”;

2 s = std::move(readFileContent(fileName));

后，對象s在被賦值的時候，方法std::string::operator =(std::string&&)會被調用，符號&&告訴std::string類的編寫者，傳入的參數是一個臨時對象，可以挪用其數據，于是std::string::operator =(std::string&&)的實現代碼中，會置空形參，同時將原本保存在中形參中的數據移動到自身。

不光是臨時變量，只要是你認為不再需要的數據，都可以考慮用std::move移動。

比較有名的std::move用法是在swap中：

復制代碼
1 template

2 void swap(T& a, T& b)

3 {

4     T t(std::move(a));  // a為空，t占有a的初始數據
5     a = std::move(b); //  b為空， a占有b的初始數據
6     b = std::move(t); // t為空，b占有a的初始數據
7 }
復制代碼

總之，std::move是為性能而生的，正式因為了有了這個主動報告廢棄物的設施，所以C++11中的STL性能大幅提升，即使C++用戶仍然按找舊有的方式來編碼，仍然能因中新版STL等標準庫的強化中收益。

?

std::forward是用于模板編程中的，如果不需要編寫通用的模板類和函數，可能不怎么用的上它。

要認識它的作用，需要知道C++中的幾條規則：（這里有篇挺好的文章：http://blog.csdn.net/zwvista/article/details/6848582，但似乎因標準的更新，其中的規則已不完全成立了）

1.?引用折疊規則：

X& + & => X&
X&& + & => X&
X& + && => X&
X&& + && => X&&

2. 對于模板函數中的形參聲明T&&（這里的模板參數T，最終推演的結果可能不是一個純類型，它可能還會帶有引用/常量修飾符，如，T推演為const int時，實際形參為const int &&），會有如下規則：

如果調用函數時的實參為U&（這里的U可能有const/volatile修飾，但沒有左/右引用修飾了），那么T推演為U&，顯然根據上面的引用折疊規則，U& &&=>U&。

如果調用實參為U&&，雖然將T推導為U&&和U都能滿足折疊規則（U&& &&=> U&&且U &&=>U&&），但標準規定，這里選擇將T推演為U而非U&&。

總結一下第2條規則：當形參聲明為T&&時，對于實參U&，T被推演為U&；當實參是U&&時，T被推演為U。當然，T和U具有相同的const/volatile屬性。

3.這點很重要，也是上面zwvista的文章中沒有提到的：形參T&& t中的變量t，始終是左值引用，即使調用函數的實參是右值引用也不例外。可以這么理解，本來，左值和右值概念的本質區別就是，左值是用戶顯示聲明或分配內存的變量，能夠直接用變量名訪問，而右值主要是臨時變量。當一個臨時變量傳入形參為T&& t的模板函數時，T被推演為U，參數t所引用的臨時變量因為開始能夠被據名訪問了，所以它變成了左值。這也就是std::forward存在的原因！當你以為實參是右值所以t也應該是右值時，它跟你開了個玩笑，它是左值！如果你要進一步調用的函數會根據左右值引用性來進行不同操作，那么你在將t傳給其他函數時，應該先用std::forward恢復t的本來引用性，恢復的依據是模板參數T的推演結果。雖然t的右值引用行會退化，變成左值引用，但根據實參的左右引用性不同，T會被分別推演為U&和U，這就是依據！因此傳給std::forward的兩個參數一個都不能少：std::forward(t)。

?

再來，討論一下，一個模板函數如果要保留參數的左右值引用性，為什么應該聲明為T&&：

如果聲明函數f(T t)：實參會直接進行值傳遞，失去了引用性。

如果聲明函數f(T &t): 根據引用折疊法則，無論T是U&還是U&&，T&的折疊結果都只會是U&，即，這個聲明不能用于匹配右值引用實參。

如果聲明函數f(T &&t): 如果T為U&，T&&的結果是U&，可以匹配左值實參；如果T為U&&，T&&的結果是U&&，可以匹配右值實參。又因為T的cv性和U相同，所以這種聲明能夠保留實參的類型信息。

?

先來看一組幫助類：

1 template struct TypeName { static const char *get(){ return "Type"; } };

2 template struct TypeName<<SPAN style="PADDING-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; MARGIN: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-RIGHT: 0px; FONT-FAMILY: 'Courier New'; COLOR: rgb(0,0,255); FONT-SIZE: 12px; PADDING-TOP: 0px">const T> { static const char *get(){ return "const Type"; } };

3 template struct TypeName { static const char *get(){ return "Type&"; } };

4 template struct TypeName<<SPAN style="PADDING-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; MARGIN: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-RIGHT: 0px; FONT-FAMILY: 'Courier New'; COLOR: rgb(0,0,255); FONT-SIZE: 12px; PADDING-TOP: 0px">const T&> { static const char *get(){ return "const Type&"; } };

5 template struct TypeName { static const char *get(){ return "Type&&"; } };

6 template struct TypeName<<SPAN style="PADDING-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; MARGIN: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-RIGHT: 0px; FONT-FAMILY: 'Courier New'; COLOR: rgb(0,0,255); FONT-SIZE: 12px; PADDING-TOP: 0px">const T&&> { static const char *get(){ return "const Type&&"; } };

在模板函數內部將模板參數T傳給TypeName，就可以訪問T的類型字符串：TypeName::get()。

?

再一個幫助函數，用于打印一個表達式的類型：

1 template

2 void printValType(T &&val)

3 {

4     cout << TypeName::get() << endl;

5 }

注意3條規則在這個模板函數上的應用。規則1，解釋了T&& val的聲明足以保留實參的類型信息。規則2，說明了，當實參是string&時，T就是string&；當實參是const string&&時，T就是const string（而非const string&&）。規則3，強調，無論實參是string&還是string&&，形參val的類型都是string&!

注意TypeName的寫法，因為T只能為U&或者U，顯然T&&可以根據折疊法則還原為實參類型U&和U&&。

?

這里是常見的const/左右引用組合的情形：

1 class A{}; // 測試類
2 A& lRefA() { static A a; return a;} // 左值
3 const A& clRefA() { static A a; return a;} // 常左值
4 A rRefA() { return A(); } // 右值
5 const A crRefA() { return A(); } // 常右值

測試一下上面的表達式類型：

1 printValType(lRefA());

2 printValType(clRefA());

3 printValType(rRefA());

4 printValType(crRefA());

輸出依次是： Type&，const Type&，Type&&，const Type&&。

?

現在正式來探討std::forward的實現。

回顧一下使用std::forward的原因：由于聲明為f(T&& t)的模板函數的形參t會失去右值引用性質，所以在將t傳給更深層函數前，可能會需要回復t的正確引用行，當然，修改t的引用性辦不到，但根據t返回另一個引用還是可以的。恰好，上面的函數printValType是一個會根據實參類型不同，作出不同反映的函數，所以可以把它作為f的內層函數，來檢測f有沒有正確的修正t的引用行。

復制代碼
 1 template

 2 void f(T &&a)

 3 {

 4     printValType(a);

 5 }

 6 

 7 int main()

 8 {

 9     f(lRefA());

10     f(clRefA());

11     f(rRefA());

12     f(crRefA());

13 }
復制代碼

輸出：Type&，const Type&，Type&，const Type&。

可見后兩個輸出錯了，這正是前面規則3描述的，當實參是右值引用時，雖然T被推演為U，但是參數a退化成了左值引用。

直接應用std::forward：

1 template

2 void f(T &&a)

3 {

4     printValType(std::forward(a));

5 }

輸出：Type&，const Type&，Type&&，const Type&&。

輸出正確了，這就是std::forward的作用啊。如果更深層的函數也需要完整的引用信息，如這里的printValType，那就應該在傳遞形參前先std::forward！

?

在編寫自己的forward函數之前，先來嘗試直接強制轉化參數a：

1 template

2 void f(T &&a)

3 {

4     printValType((T&&)a);

5 }

輸出：Type&，const Type&，Type&&，const Type&&。

正確！因為不管T被推演為U&還是U，只要T&&肯定能還原為U&和U&&。

?

考慮下自己的forward函數應該怎么寫：

?因為在forward的調用方中，形參已經丟失了右值引用信息，唯一的參考依據是T，要根據T還原為正確的參數，得T&&，因此，強制轉換和返回類型都是T&&了，當然，forward還必須被以forward()的方式顯示指定模板類型，這樣才能保證forward的模板參數T和上層函數f的T是相同類型。首先：

1 template

2 T&& forward(... a)

3 {

4     return (T&&)a;

5 }

調用方f一定得顯示指定類型forward。

形參怎么寫？形參a的類型由T構成，而且forward的實參一定是左值（暫時不考慮forward(std::string())的使用方法），也就是說，無論T是U&還是U，形參a的類型一定都得是U&，才能和實參匹配，所以，結果是：

1 template

2 T&& forward(T& a)

3 {

4     return (T&&)a;

5 }

測試，輸出：Type&，const Type&，Type&&，const Type&&。
正確！

?

再試下，如果f調用forward的時候，使用forward(a)的方式，沒有顯示指定模板類型會怎么樣：

1 template

2 void f(T &&a)

3 {

4     printValType(forward(a));

5 }

輸出：T&&，const Type&&，Type&&，const Type&&。

錯了。分析下，因為實參始終是左值，所以forward的形參T& a中，T就被推演為U，因此(T&&)a也就是(U&&)a所以結果錯誤。

為了避免用戶使用forward(a)，因此應該禁用forward的自動模板參數推演功能！可以借助std::identity，另外，將(T&&)換成static_cast，規范一下：

1 template

2 T&& forward(typename std::identity::type& a)

3 {

4     return static_cast(a);

5 }

?

上面講的是針對T為U&或U，而實參始終為左值的情況，這是常見的情形；不過也有實參為右值的情況，還需要改進上面這個forward，但我這里就不寫了。

這是我手里的gcc4.5.2的forward實現：

復制代碼
 1   /// forward (as per N2835)
 2 /// Forward lvalues as rvalues.
 3   template

 4     inline typename enable_if::value, _Tp&&>::type

 5     forward(typename std::identity<_Tp>::type& __t)

 6     { return static_cast<_Tp&&>(__t); }

 7 

 8   /// Forward rvalues as rvalues.
 9   template

10     inline typename enable_if::value, _Tp&&>::type

11     forward(typename std::identity<_Tp>::type&& __t)

12     { return static_cast<_Tp&&>(__t); }

13 

14   // Forward lvalues as lvalues.
15   template

16     inline typename enable_if::value, _Tp>::type

17     forward(typename std::identity<_Tp>::type __t)

18     { return __t; }

19 

20   // Prevent forwarding rvalues as const lvalues.
21   template

22     inline typename enable_if::value, _Tp>::type

23     forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type&& __t) = delete;
復制代碼

第1/3版本就相當于我之前的實現，而版本2/4是實參為右值的情況，至于后者這種取舍的原因，還得去自己研究下使用場合和文檔了。

我手里的vc2010實現的forward和我之前的實現相同，顯然還不夠，不過vc2010本來對標準也就還支持得少..


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