2017年3月25日 星期六

移動語意 std::move() 的真正用途與原則

移動語意 std::move() 的用途與原則

tags: operator

用一句話概括
用同一個等號重載深淺拷貝
std::move()
協助你呼叫淺度拷貝函式

部分知識補充


兩種拷貝方法

我們要先介紹兩個名詞深度拷貝與淺度拷貝,這兩種拷貝會發生在一個成員具有指標的物件,這時候拷貝可以有兩種情況
  • 深度拷貝:要求新空間且實際複製指針所指之處的內容
  • 淺度拷貝:只複製指針容器內的指針
淺度拷貝後A物件被更動,B物件也會跟著被改變,因為他們指向同一個位址

移動語意

如名字所敘移動語意是指移動行為,而既照語意來說就是,移動的過程中不會產生物件複製行為,進一步來說就是
在不發生深度拷貝的前提下把資源從 a 處弄到 b 處
淺度拷貝與此語意相符僅複製指標過去而不複製物件本身。

比較容易讓人產生誤解的是 std::move() 本身並不具備移動的函式,他所做的事情是
協助你呼叫淺度拷貝函式
把這一句話背下來,將協助你解決很多很多的困擾

如果 operator=() 同時重載了深度拷貝與淺度拷貝,我把它稱為具移動函式的物件;深度拷貝則稱為複製函式、淺度拷貝則稱為移動函式。

使用條件

既然是協助呼叫淺度拷貝函式,也就代表說
也要該物件具有淺度拷貝函式才能夠使用
如果一個物件不具有移動函式,那麼有沒有使用std::move()結果將沒有區別
因為 fun(const &T); 可以接收左右值,結果而言你所轉換的右值會呼叫該函式
Arr & operator=(Arr const & rhs){}

我們可以加載這個移動函式來區分左右值的引用
Arr & operator=(Arr && rhs){}
原先的左值會呼叫原先的函式,而被你標記為移動語意的物件將會呼叫移動函式
Arr a, b;

// 複製函式
a = b;

// 移動函式
a = std::move(b);

產生的問題

未指定行為

既然所謂的移動語意是淺層拷貝,那執行完上面的函式不就出問題了嗎?我更改a將會連動到b。
自己就要記清楚,這個 b 已經不要了,不可以再使用了
這麼想其實也很合理,不正是因為不要了才要移動嗎?如果還要該是呼叫複製函式對吧!然後經過 std::move() 之後也會做語法標記,被標記的物件雖然可以存取,但是會發生未指定行為。

轉發右值

右值有一個大原則他沒有名字
而右值引用的引用變數是帶有名字的
這在轉發的時候會出問題的,你所接收的右值在接收的那一個瞬間已經被轉成左值了
void fun(Arr const && i){
    Arr temp;
    temp = i;
}

void main(){
    Arr a;
    fun(std::move(a));
}
那個 a 雖然你正確的轉成右值輸入,但是當他變成 i 的時候他就有一個名字叫做 i 了,你將會呼叫複製函式而不是移動函式。
接收右值必須在std::move()一次,才能正確地使用移動函式
void fun(Arr const && i){
    Arr temp;
    temp = std::move(i);
}

void main(){
    Arr a;
    fun(std::move(a));
}

重複釋放同一個地址

當我們使用移動函式的時候,會把a物件的指針複製到b物件的指針,這樣會導致一個狀況
兩個物件同時指向同一個地址
同時指向還不是太大的問題,問題在於當他們生命周期結束時會個別呼叫個別的解構子,這樣會造成同一個地址被解構兩次,進而造成程式崩潰。
移動函式必須將,原移動對象歸零,指向nullptr

為什麼選用 非const版本 的引入參數?

左值參考

同樣的你可能也會好奇,為什麼複製函式是選用 const 版本的
因為結果很明確,不會動到來源
除此外還有一個特性,const可以接收兩者,但是 non-const,只能接收 non-const ,這種情況下你必須寫兩種版本的函式
Arr & operator=(Arr const & rhs){}
Arr & operator=(Arr & rhs){}
然而他們居然是做同一件事情,當然能整合寫一個就整合寫一個

右值參考

接下來你可能會覺的,那移動語意應該也該選擇 const 版本整合兩者不是嗎?
不~還有另一條,根據上面的規則,移動過後必須歸零來源!
如果你選了 const 那將妨礙到移動語意的操作,無法歸零來源

其次,這會導致複製函式的語意被 初始化規則否決,當存在以下兩條函式時
Arr & operator=(Arr const & rhs){} //原複製函式
Arr & operator=(Arr const && rhs){}
在接收右值的時候會優先執行下方的函式,複製函式將沒有機會實現,這會造成我們失去主動權,可以在主程式選擇 右值參考 要使用複製函式或是移動函式。
std::move() 的存在就是協助給予我們主動權
讓我們可以由決定該用哪一種方式執行程式。

不要以為返回 move 可以省下複製成本

函式的返回時會創建一個站存值,這個會造成一個複製成本
int fun(){
    int i;
    return i;
}
在函式內 int i 是新創值,當他返回到主程式的時候,又會複製一份新的站存值,如果不複製將會因為副程式內的 i 生命週期結束,主程式無法接收

於是你可能會想這麼做
int & fun(){
    int i;
    return i;
}
看起來是一個很好的解決方案,但是你要知道副程式執行完畢 i 就被解構了,返回的參考,將會參考到一個非法空間。

或許移動語意取代複製語意是個好方法?
int fun(){
    int i;
    return std::move(i);
}
實際上並不會,因為最初的做法編譯器會自動做優化(return value optimization),他會直接就相當於在主程式宣告,所以一開始說的多餘複製其實是不會發生的,除非主程式的物件已經存在。
當你使用move()語意將會破壞這個超級優化
雖然是你是優化了,不過你的優化並沒有編譯器做得好
/*****************************************************************
Name : 
Date : 2017/04/07
By   : CharlotteHonG
Final: 2017/04/07
*****************************************************************/
#include <iostream>
using namespace std;

struct A {
    A() = default;
    A(A && rhs){cout << "mctor" << endl;}
    ~A(){cout << "dctor" << endl;}
};

A fun(){
    A i;
    // return std::move(i);
    return i;
}

/*==============================================================*/
int main(int argc, char const *argv[]){
    A a = fun();
    return 0;
}
/*==============================================================*/
可以看出解構只執行一次,從頭到尾就只有創建一個。使用move語意後雖然會確實的執行move語意,但是會導致創建兩個實體,並沒有比較好。

參考

沒有留言:

張貼留言