Язык программирования C++. Пятое издание - Стенли Липпман

13.6. Перемещение объектов

Одной из главных особенностей нового стандарта является способность перемещать объект, а не копировать. Как упоминалось в разделе 13.1.1, копирование осуществляется при многих обстоятельствах. При некоторых из них объект разрушается немедленно после копирования. В этих случаях перемещение объекта вместо копирования способно обеспечить существенное увеличение производительности.

Как было продемонстрировано только что, наш класс StrVec — хороший пример лишнего копирования. Во время пересоздания нет никакой необходимости в копировании элементов из старой памяти в новую, лучше перемещение. Вторая причина предпочесть перемещение копированию — это такие классы как unique_ptr и классы ввода-вывода. У этих классов есть ресурс (такой как указатель или буфер ввода-вывода), который не допускает совместного использования. Следовательно, объекты этих типов не могут быть скопированы, но могут быть перемещены.

В прежних версиях языка не было непосредственного способа перемещения объекта. Копию приходилось делать, даже если в этом не было никакой потребности. Когда объекты велики или когда они требуют резервирования памяти (например, строки), бесполезное копирование может обойтись очень дорого. Точно так же в предыдущих версиях библиотеки классы хранимых в контейнере объектов должны были допускать копирование. По новому стандарту в контейнерах можно хранить объекты типов, которые не допускают копирования, но могут быть перемещены.

Контейнеры библиотечных типов, классы string и shared_ptr поддерживают как перемещение, так и копирование. Классы ввода-вывода и класс unique_ptr допускают перемещение, но не копирование.

13.6.1. Ссылки на r-значение

Для обеспечения операции пересылки, новый стандарт вводит новый вид ссылок — ссылки на r-значение. Ссылка на r-значение (r-value reference) — это ссылка, которая должна быть связана с r-значением. Ссылку на r-значение получают с использованием символа &&, а не &. Как будет продемонстрировано далее, у ссылок на r-значение есть важное свойство — они могут быть связаны только с тем объектом, который будет удален. В результате можно "перемещать" ресурсы от ссылки на r-значение в другой объект.

Напомним, что l- и r-значение — свойства выражения (см. раздел 4.1.1). Некоторые выражения возвращают или требуют l-значений; другие возвращают или требуют r-значений. Как правило, выражение l-значения относится к идентификатору объекта, тогда как выражение r-значения — к значению объекта.

Как и любая ссылка, ссылка на r-значение — это только другое имя для объекта. Как известно, нельзя связать обычные ссылки (которые далее будем называть ссылками на l-значение (l-value reference), чтобы отличить их от ссылок на r-значения) с выражениями, требующими преобразования, с литералами и с выражениями, которые возвращают r-значение (см. раздел 2.3.1). У ссылок на r-значение противоположные свойства привязки: можно связать ссылку на r-значение с выражениями, приведенными выше, но нельзя непосредственно связать ссылку на r-значение с l-значением:

int i = 42;

int &r = i;   // ok: r ссылается на i

int &&rr = i; // ошибка: нельзя связать ссылку на r-значение

              // с l-значением

int &r2 = i * 42; // ошибка: i * 42 - это r-значение

const int &r3 = i * 42; // ok: ссылку на константу можно

                        // связать с r-значением

int &&rr2 = i * 42; // ok: связать rr2 с результатом умножения

Функции, возвращающие ссылки на l-значение, наряду с присвоением, индексированием, обращением к значению, а также префиксные операторы инкремента и декремента являются примерами выражений, возвращающих l-значения. Ссылку на l-значение можно также связать с результатом любого из этих выражений.

Все функции, возвращающие не ссылочный тип, наряду с арифметическими, реляционными, побитовыми и постфиксными операторами инкремента и декремента возвращают r-значения. С этими выражениями нельзя связать ссылку на l-значение, но можно связать либо константную ссылку на l-значение, либо ссылку на r-значение.

l-значения — устойчивы; r-значения — эфемерны

Глядя на список выражений l- и r-значений, становится понятно, что l- и r-значения существенно отличаются друг от друга: у l-значений есть постоянное состояние, тогда как r-значения, литералы и временные объекты создаются лишь в ходе вычисления выражений.

Поскольку ссылки на r-значение могут быть связаны только с временным объектом, известно, что:

• упомянутый объект будет удален,

• у этого объекта не может быть других пользователей.

Совместно эти факты означают, что использующий ссылку на r-значение код способен получать ресурсы от объекта, на который ссылается ссылка.

Ссылки на r-значение ссылаются на объекты, которые будут вскоре удалены. Следовательно, можно "захватить" состояние объекта, связанного со ссылкой на r-значение.

Переменные являются l-значениями

Хотя мы редко думаем об этом, переменная — это выражение с одним операндом и без оператора. Подобно любому другому выражению, переменная как выражение имеет свойства l- и r-значения. Переменные как выражения — это l-значения. Удивительно, но как следствие невозможно связать ссылку на r-значение с переменной, определенной как тип ссылки на r-значение:

int &&rr1 = 42;  // ok: литералы - это r-значения

int &&rr2 = rr1; // ошибка: выражение rr1 - это l-значение!

С учетом предыдущего наблюдения, согласно которому r-значения представляют эфемерные объекты, нет ничего удивительного в том, что переменная представляет собой l-значение. В конце концов, переменная сохраняется, пока не выйдет из области видимости.

Переменная — это l-значение; нельзя непосредственно связать ссылку на r-значение с переменной, даже если эта переменная была определена как тип ссылки на r-значение.

Библиотечная функция move()

Хотя нельзя непосредственно связать ссылку на r-значение с l-значением, можно явно привести l-значение к соответствующему типу ссылки на r-значение. Вызов новой библиотечной функции move(), определенной в заголовке utility, позволяет также получить ссылку на r-значение, привязанную к l-значению. Для возвращения ссылки на r-значение на данный объект функция move() использует средства, описываемые в разделе 16.2.6:

int &&rr3 = std::move(rr1); // ok

Вызов функции move() указывает компилятору, что имеющееся l-значение следует рассматривать как r-значение. Следует помнить, что приведенный выше вызов функции move() обещает не использовать rr1 ни для чего, кроме присвоения или удаления. После вызова функции move() нельзя сделать никаких предположений о значении уже перемещенного объекта.

Перемещенный объект можно удалить, а можно присвоить ему новое значение, но значение уже перемещенного объекта использовать нельзя.

Как уже упоминалось, для использования большинства имен из библиотеки, включая функцию move() (см. раздел 13.5), не нужно предоставлять объявление using (см. раздел 3.1). Произойдет вызов функции std::move(), а не move(). Причины этого рассматриваются в разделе 18.2.3.

Код, применяющий функцию move(), должен использовать синтаксис std::move(), а не move(). Это позволит избежать возможных конфликтов имен.

Упражнения раздела 13.6.1

Упражнение 13.45. В чем разница между ссылкой на r-значение и ссылкой на l-значение.

Упражнение 13.46. Какой вид ссылки может быть связан со следующими инициализаторами?

int f();

vector<int> vi(100);

int? r1 = f();

int? r2 = vi[0] ;

int? r3 = r1;

int? r4 = vi[0] * f();

Упражнение 13.47. Снабдите конструктором копий и оператором присвоения копии класса String из упражнения 13.44 раздела 13.5, функции которого выводят сообщения при каждом вызове.

Упражнение 13.48. Определите вектор vector<String> и вызовите для него функцию push_back() несколько раз. Запустите программу и посмотрите, как часто копируются строки.

13.6.2. Конструктор перемещения и присваивание при перемещении

Подобно классу string (и другим библиотечным классам), наши собственные классы могут извлечь пользу из способности перемещения ресурсов вместо копирования. Чтобы позволить собственным типам операции перемещения, следует определить конструктор перемещения и оператор присваивания при перемещении. Эти члены подобны соответствующим функциям копирования, но они захватывают ресурсы заданного объекта, а не копируют их.