C++11 Move Constructors and Move Assignment Operators 从入门到精通

一、引言

在C++11之前，对象的复制主要依赖于复制构造函数（copy constructors）和复制赋值运算符（copy assignment operators）。然而，在处理一些大型对象或者资源管理时，复制操作可能会带来较大的性能开销。C++11引入了移动构造函数（move constructors）和移动赋值运算符（move assignment operators），以及右值引用（rvalue references）的概念，旨在解决这些问题，提高程序的性能。

二、基本概念

2.1 右值引用（Rvalue References）

在理解移动构造函数和移动赋值运算符之前，我们需要先了解右值引用的概念。在C++中，表达式可以分为左值（lvalue）和右值（rvalue）。左值是有内存地址的表达式，通常是变量名；右值是没有内存地址的临时对象，比如字面量或者函数返回的临时对象。

右值引用是C++11引入的一种新的引用类型，使用&&来声明。它可以绑定到右值上，允许我们对右值进行操作。例如：

int &&rref = 20; // 右值引用绑定到右值

2.2 移动语义（Move Semantics）

移动语义是C++11引入的一种新的对象状态转移方式。传统的复制操作会创建一个新的对象，并将原对象的数据复制到新对象中，这可能会带来较大的开销。而移动语义则是将原对象的资源所有权转移到新对象中，避免了不必要的复制操作。

std::move()是一个标准库函数，它的作用是将一个左值强制转换为右值引用，从而触发移动语义。需要注意的是，std::move()本身并不移动任何东西，它只是一个类型转换工具。例如：

#include <iostream>
#include <utility>int main() {int a = 10;int &&rref = std::move(a); // 将左值a转换为右值引用std::cout << rref << std::endl;return 0;
}

三、移动构造函数（Move Constructors）

3.1 定义和语法

移动构造函数是一种特殊的构造函数，它接受一个右值引用作为参数，用于将一个右值对象的资源转移到新对象中。其语法如下：

class ClassName {
public:ClassName(ClassName&& other); // 移动构造函数
};

3.2 示例代码

下面是一个简单的示例，展示了移动构造函数的使用：

#include <iostream>
#include <vector>class MoveClass {
private:int* data;
public:// 构造函数MoveClass(int d) {data = new int;*data = d;std::cout << "Constructor is called for " << d << std::endl;}// 移动构造函数MoveClass(MoveClass&& other) {data = other.data;other.data = nullptr;std::cout << "Move constructor is called" << std::endl;}// 析构函数~MoveClass() {delete data;}
};int main() {std::vector<MoveClass> vec;vec.push_back(MoveClass(10)); // 调用移动构造函数return 0;
}

在这个示例中，当我们使用std::vector的push_back方法插入一个临时对象时，会调用移动构造函数，将临时对象的资源转移到vector中的新对象中，避免了不必要的复制操作。

3.3 使用场景

移动构造函数主要用于以下场景：

• 临时对象的资源转移：当一个对象是临时对象，即将被销毁时，我们可以使用移动构造函数将其资源转移到新对象中，避免复制操作。
• 容器操作：在std::vector、std::list等容器中插入或删除元素时，可能会触发对象的移动操作，使用移动构造函数可以提高性能。

四、移动赋值运算符（Move Assignment Operators）

4.1 定义和语法

移动赋值运算符是一种特殊的赋值运算符，它接受一个右值引用作为参数，用于将一个右值对象的资源转移到已存在的对象中。其语法如下：

class ClassName {
public:ClassName& operator=(ClassName&& other); // 移动赋值运算符
};

4.2 示例代码

下面是一个简单的示例，展示了移动赋值运算符的使用：

#include <iostream>
#include <utility>class DynamicArray {
private:int* data;size_t size;
public:// 构造函数DynamicArray(size_t s) : size(s) {data = new int[size];}// 移动赋值运算符DynamicArray& operator=(DynamicArray&& other) noexcept {if (this != &other) {delete[] data;data = other.data;size = other.size;other.data = nullptr;other.size = 0;}return *this;}// 析构函数~DynamicArray() {delete[] data;}
};int main() {DynamicArray arr1(10);DynamicArray arr2(20);arr2 = std::move(arr1); // 调用移动赋值运算符return 0;
}

在这个示例中，当我们使用std::move()将arr1转换为右值引用，并赋值给arr2时，会调用移动赋值运算符，将arr1的资源转移到arr2中，避免了复制操作。

4.3 使用场景

移动赋值运算符主要用于以下场景：

• 对象的资源更新：当一个对象需要更新其资源时，我们可以使用移动赋值运算符将另一个对象的资源转移到该对象中，避免复制操作。
• 容器元素的替换：在std::vector、std::list等容器中替换元素时，可能会触发对象的移动赋值操作，使用移动赋值运算符可以提高性能。

五、注意事项

5.1 异常安全性

在实现移动构造函数和移动赋值运算符时，需要考虑异常安全性。如果移动操作可能会抛出异常，建议使用noexcept关键字来标记函数，以确保在异常发生时不会导致资源泄漏。例如：

class MyClass {
public:MyClass(MyClass&& other) noexcept {// 移动操作}MyClass& operator=(MyClass&& other) noexcept {// 移动操作return *this;}
};

5.2 资源管理

在移动操作完成后，需要确保被移动的对象处于一个有效的但未指定的状态。通常，我们会将被移动对象的指针置为nullptr，以避免在析构时出现双重释放的问题。例如：

class MyClass {
private:int* data;
public:MyClass(MyClass&& other) {data = other.data;other.data = nullptr; // 确保被移动对象的指针为空}
};

六、总结

C++11引入的移动构造函数和移动赋值运算符，以及右值引用的概念，为我们提供了一种高效的对象状态转移方式。通过使用移动语义，我们可以避免不必要的复制操作，提高程序的性能。在实际开发中，合理使用移动构造函数和移动赋值运算符，可以让我们的代码更加高效和健壮。