c++11 中的 move 与 forward

[update: 关于左值右值的另一点总结，请参看这篇]

一. move

关于 lvaue 和 rvalue，在 c++11 以前存在一个有趣的现象：T&  指向 lvalue (左传引用)， const T& 既可以指向 lvalue 也可以指向 rvalue。但却没有一种引用类型，可以限制为只指向 rvalue。这乍看起来好像也不是很大的问题，但实际与看起来不一样，右值引用的缺失有时严重限制了我们在某些情况下，写出更高效的代码。举个粟子，假设我们有一个类，它包含了一些资源：

class holder
{
     public:

          holder()
          {
               resource_ = new Resource();
          }
          ~holder()
          {
               delete resource_;
          }

          holder(const holder& other)
          {
                resource_ = new Resource(*other.resource_);
          }

          holder(holder& other)
          {
                resource_ = new Resource(*other.resource_);
          }

          holder& operator=(const holder& other)
          {
                delete resource_;
                resource_ = new Resource(*other.resource_);
                return *this;
          }
           holder& operator=(holder& other)
          {
                delete resource_;
                resource_ = new Resource(*other.resource_);
                return *this;
          }
          private:

               Resource* resource_;
};

这是个 RAII 类，构造函数与析构函数分别负责资源的获取与释放，因此也相应处理了拷贝构造函数 (copy constructor) 和重载赋值操作符 (assignment operator)，现在假设我们这样来使用这个类。

// 假设存在如下一个函数，返回值为 holder 类型的临时变量
holder get_holder() { return holder(); }

holder h;
foo(h);
h = get_holder();

理想情况下（不考虑返回值优化等因素)，这一小段代码的最后一条语句做了如下三件事情：

1)  销毁 h 中的资源。

2)  拷由 get_holder() 返回的资源。

3)  销毁 get_holder() 返回的资源。

显然我们可以发现这些事情中有些是不必要的：假如我们可以直接交换 h 中的资源与 get_holder() 返回的对象中的资源，那我们就可以直接省略掉第二步中的拷贝动作了。而这里之所以交换能达到相同的效果，是因为 get_holder() 返回的是临时的变量，是个 rvalue，它的生命周期通常来说很短，具体在这里，就是赋值语句完成之后，任何人都没法再引用该 rvalue，它马上就要被销毁了，它所包含的资源也无法再被访问。而如果是像下面这样的用法，我们显然不可以直接交换两者的资源：

holder h1;
holder h2;

h1 = h2;

foo(h2);

因为 h2 是个 lvalue，它的生命周期较长，在赋值语句结束之后，变量仍然存在，还有可能要被别的地方使用。因此，rvalue 的短生命周期给我们提供了在某些情况优化代码的可能。但这种可能在 c++11 以前是没法利用到的，因为我们没法在代码中对 rvalue 区别对待：在函数体中，程序员无法分辨传进来的参数到底是不是 rvalue，我们缺少一个 rvalue 的标记。

回忆一下，T& 指向的是 lvalue，而 const T& 指向的，却可能是 lvalue 或 rvalue，我们没有任何方式能够确认当前参数是不是 rvalue！为了解决这个问题，c++11 中引入了一个新的引用类型: some_type_t &&，这种引用指向的变量是个 rvalue， 有了这个引用类型，我们前面提到的问题就迎刃而解了。

class holder
{
     public:

          holder()
          {
               resource_ = new Resource();
          }
          ~holder()
          {
               if (resource_) delete resource_;
          }

          holder(const holder& other)
          {
                resource_ = new Resource(*other.resource_);
          }

          holder(holder& other)
          {
                resource_ = new Resource(*other.resource_);
          }

          holder(holder&& other)
          {
                resource_ = other.resource_;
                other.resource_ = NULL;
          }

          holder& operator=(const holder& other)
          {
                delete resource_;
                resource_ = new Resource(*other.resource_);
　　　　　　　　　 return *this;
          }

          holder& operator=(holder& other)
          {
                delete resource_;
                resource_ = new Resource(*other.resource_);
                return *this;
          }

          holder& operator=(holder&& other)
          {
                std::swap(resource_, other.resource_);
                return *this;
          }

          private:

               Resource* resource_;
};    

因为有了右值引用，当我们再写如下代码的时候：

holder h1;
holder h2;

h1 = h2; // 调用operator(holder&);
h1 = get_holder(); // 调用operator(holder&&)

编译器就能根据当前参数的类型选择相应的函数，显然后者的实现是更高效的。写到里，有的人也许会有疑问:  some_type_t&& ref  指向的是右值（右值引用），那 ref 本身在函数内是左值还是右值？具体来说就是如下代码中，第三行所调用的是 operator=(holder&) 还是 operator=(holder&&)?

 holder& operator=(holder&& other)
 {
       holder h = other;       return *this;
 }

这个问题的本质还是怎么区分 rvalue？ c++11 中对 rvalue 作了明确的定义：

Things that are declared as rvalue reference can be lvalues or rvalues. The distinguishing criterion is: if it has a name, then it is an lvalue. Otherwise, it is an rvalue.

如果一个变量有名字，它就是 lvalue，否则，它就是 rvalue。根据这样的定义，上面的问题中，other 是有名字的变量(变量的类型是右值引用），因此是个 lvalue，因此第3行调用的是 operator=(holder&)。好了说了这么久，一直没说到 move()，现在我们来给出它的定义：

c++11 中的 move() 是这样一个函数，它接受一个参数，然后返回一个该参数对应的右值引用.

就这么简单！你甚至可以暂时想像它的原型是这样的(当然是错的，正确的原型我们后面再讲)。

T&& move(T& val);

那么，这样一个 move() 函数，它有什么使用呢？用处大了！回到前面例子，我们用到了 std::swap() 这个函数，回想一下以前我们是怎么想来实现 swap 的呢？

 void swap(T& a, T& b)
 {
     T tmp = a;
     a = b;
     b = tmp;
 }

想像一下，如果 T 是我们之前定义的 holder，这里面就多做了很多无用功，每一个赋值语句，就有一次资源销毁以及一次拷贝！而事实上我们只是要交换 a 与 b 的内容，中间的拷贝都是额外的负担，完全可以考虑消除这些无用功。

 void swap(T& a, T& b)
 {
      T tmp = move(a);
      a = move(b);
      b = move(tmp);
 }

这样一来，如果 holder 提供了 operator=(T&&) 重载，上述操作就相当于只是交换了三次指针，效率大大提升！move() 使得程序员在有需要的情况下能把 lvalue 当成右值来对待。

二. forward()

1. 转发问题

除了 move() 语义之外，右值引用的提出还解决另一个问题：完美转发 (perfect forwarding)，转发问题针对的是模板函数，这些函数主要处理的是这样一个问题：假设我们有这样一个模板函数，它的作用是：缓存一些 object，必要的时候创建新的。

template<class TYPE, class ARG>
TYPE* acquire_obj(ARG arg)
{
     static list<TYPE*> caches;
     TYPE* ret;

     if (!caches.empty())
     {
          ret = caches.pop_back();
          ret->reset(arg);
          return ret;
     }

     ret = new TYPE(arg);
     return ret;
}

这个模板函数的作用简单来说，就是转发一下参数 arg 给 TYPE 的 reset() 函数和构造函数，除此它就没再干别的事情，在这个函数当中，我们用了值传递的方式来传递参数，显然是比较低效的，多了次没必要的拷贝，于是我们准备改成传递引用的方式，同时考虑到要能接受 rvalue 作为参数，最后做出艰难的决定改成如下样子：

template<class TYPE, class ARG>
TYPE* acquire_obj(const ARG& arg)
{
    //...
}

但这样写很不灵活：

1) 首先，如果 reset() 或 TYPE 的构造函数不接受 const 类型的引用，那上述的函数就不能使用了，必须另外提供非 const TYPE& 的版本，参数一多的话，很麻烦。

2) 其次，如果 reset() 或 TYPE 的构造函数能够接受 rvalue 作为参数的话，这个特性在 acquire_obj() 里头也永远用不上。

其中1) 好理解，2) 是什么意思？

2) 说的是这样的问题，即使 TYPE 存在 TYPE(TYPE&& other) 这样的构造函数，它在上述 acquire_obj() 中也永远不会被调用，原因是在 acquire_obj() 中，传递给 TYPE 构造函数的，永远是 lvalue（因为 arg 有名字），哪怕外面调用 acquire_obj() 时，用户传递进来的是 rvalue，请看如下示例：

holder get_holder();

holder* h = acquire_obj<holder, holder>(get_holder());

虽然在上面的代码中，我们传递给 acquire_obj() 的是一个 rvalue，但是在 acuire_obj() 内部，我们再使用这个参数时，它却永远是 lvalue，因为它有名字 --- 有名字的就是 lvalue。acquire_obj() 这个函数它的基本功能本来只是传发一下参数，理想状况下它不应该改变我们传递的参数的类型：假如我们传给它 lvalue，它就应该传 lvalue 给 TYPE，假如我们传 rvalue 给它，它就应该传 rvalue 给 TYPE，但上面的写法却没有做到这点，而在 c++11 以前也没法做到。forward() 函数的出现，就是为了解决这个问题。

forward() 函数的作用：它接受一个参数，然后返回该参数本来所对应的类型的引用。

2. 两个原则

C++11 引入了右值引用的符号：&&，从前面一路看下来，可能有人已经习惯了一看到 T&& 就以为这是右值引用，这确实很容易误解，但事实是，T&&  为右值引用只有当 T 为一个具体的类型时才成立，而如果 T 是推导类型时（如模板参数, auto 等）这就不一定了，比如说如下代码中的 ref_int，根据定义这个变量的类型必定是一个右值引用，但模板函数 func 的参数 arg 则不定是右值引用了，因为此时 T 是一个推导类型。

int&&　ref_int = get_int();

template <typename T>
void func(T&& arg)
{
}

Scott Meyer 曾对 T&& 这个特殊的东西作过一个专门的演讲，他称 T&& 为 universal reference（更新：不久后，c++ 社区认为叫作 forwarding reference 更准确），Universal reference 被实例化后(instantiate)，即可能是一个左值引用，也可能是一个右值引用，具体来说，对于推导类型 T,  如果 T&& v  被一个左值初始化，那 v 就是左值引用，如果 v 被右值初始化，那它就是右值引用，很神奇！实现这是怎么做到的呢？主要来说，在参数类型推导上，c++11 加入了如下两个原则：

原则 (1):

引用折叠原则 (reference collapsing rule)，注意，以下条目中的 T 为具体类型，不是推导类型。

1)  T& & (引用的引用) 被转化成 T&.

2）T&& & (rvalue的引用）被传化成 T&.

3)  T& && (引用作rvalue) 被转化成 T&.

4)  T&& && 被转化成 T&&.

原则 (2)：

对于以 rvalue reference 作为参数的模板函数，它的参数推导也有一个特殊的原则，假设函数原型为：

template<class TYPE, class ARG>
TYPE* acquire_obj(ARG&& arg);

1) 如果我们传递 lvalue 给 acquire_obj()，则 ARG 就会被推导为 ARG&，因此如下代码的第二行，acquire_obj 被推导为: TYPE* acquire_obj(ARG& &&)。

 ARG arg;
 acquire_obj(arg);

然后根据前面说的折叠原则，我们得到原型如下的函数： TYPE* acquire_obj(ARG&);

2) 如果我们如下这样传递 rvalue 给 acquire_obj()，则 ARG 就会被推导为 ARG。

acquire_obj(get_arg()); 

最后，模板函数实例化为原型如下的函数：TYPE* acquire_obj(ARG&&);

综上讨论可见，原则 2 其实是有些令人讨厌的，它与一般模板函数的参数类型推导并不一致，甚至可以说有些相背(主要在于 top level cv removal principle)，这些随处可见的例外增加了语言的复杂性，加大了学习和记忆的难度，是如此令人讨厌，但在 c++ 中这种现象又那么常见，真是无奈。

3.结论

有了以上两个原则，现在我们可以给出理想的 acquire_obj() 原型，以及 forward() 原型。

template<class TYPE>
TYPE&& forward(typename remove_reference<TYPE>::type& arg)
{
   return static_cast<TYPE&&>(arg);
}

template<class TYPE, class ARG>
TYPE* acquire_obj(ARG&& arg)
{
   return new TYPE(forward<ARG>(arg));
}

注意上面 forward 的原型，这里只给出了参数是左值引用的原型，其实还有一个接受右值引用的重载（用来处理传入的参数是右值的情况）。另外需要额外注意的是，forward 的模板参数类型 TYPE 与该函数的参数类型并不直接等价，因此无法根据传入的参数推导模板参数，使得调用方必需显式地指定模板参数的类型，如： forward<ARG>(xx)，否则会有编译错误。

下面我们验证一下，上述函数是否能正常工作，假如我们传给 acquire_obj() 一个 lvalue，根据上面说的模板推导原则 2，ARG 会被推导为 ARG&，我们得到如下函数：

TYPE* acquire_obj(ARG& && arg)
{
   return new TYPE(forward<ARG&>(arg));
}

以及相应的 forward()函数。

TYPE& &&
forward(typename remove_reference<TYPE&>::type& arg)
{
   return static_cast<TYPE& &&>(arg);
}

再根据折叠原则，我们得到如下的函数：
TYPE* acquire_obj(ARG& arg)
{
   return new TYPE(forward<ARG&>(arg));
}

以及相应的forward()函数。

TYPE& forward(typename remove_reference<TYPE&>::type& arg)
{
   return static_cast<TYPE&>(arg);
}

所以，最后在 acquire_obj 中，forward 返回了一个 lvalue 引用, TYPE 的构造函数接受了一个 lvaue 引用， 这正是我们所想要的。 而假如我们传递给 acquire_obj 一个 rvalue 的参数，根据模板推导原则，我们知道 ARG 会被推导为 ARG，于是得到如下函数：

TYPE* acquire_obj(ARG&& arg)
{
   return new TYPE(forward<ARG>(arg));
}

以及相应的 forward() 函数。

TYPE&& forward(typename remove_reference<TYPE>::type& arg)
{
   return static_cast<TYPE&&>(arg);
}

最后 acquire_obj() 中 forward() 返回了一个 rvalue reference，TYPE 的构造函数接受了一个 rvalue，也是我们所想要的。可见，上面的设计完成了我们所想要的功能，这时的 acquire_obj() 函数才是完美的转发函数。

三.move的原型

显然，move() 必定是一个模板函数，它的参数类型推导完全遵循前面提到两个原则，这就是为何我把它的原型放到现在才写出来，用心良苦啊。

template<class T>
typename remove_reference<T>::type&&
std::move(T&& a)
{
  typedef typename remove_reference<T>::type&& RvalRef;
  return static_cast<RvalRef>(a);
} 

根据模板推导原则和折叠原则，我们很容易验证，无论是给 move 传递了一个 lvalue 还是 rvalue，最终返回的，都是一个rvalue reference。而这正是 move 的意义，得到一个 rvalue 的引用。看到这里有人也许会发现，其实就是一个 cast 嘛，确实是这样，直接用 static_cast 也是能达到同样的效果，只是 move 更具语义罢了。

【参考文献】

http://thbecker.net/articles/rvalue_references/section_01.html

https://isocpp.org/blog/2012/11/universal-references-in-c11-scott-meyers