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Item29: Assume that move operations are not present, not cheap, and not used
移动语义可以说是C++11最主要的特性。你可能会见过这些类似的描述“移动容器和拷贝指针一样开销小”, “拷贝临时对象现在如此高效,编码避免这种情况简直就是过早优化”这种情绪很容易理解。移动语义确实是这样重要的特性。它不仅允许编译器使用开销小的移动操作代替大开销的复制操作,而且默认这么做。以C++98的代码为基础,使用C++11重新编译你的代码,然后,哇,你的软件运行的更快了。
移动语义确实令人振奋,但是有很多夸大的说法,这个Item的目的就是给你泼一瓢冷水,保持理智看待移动语义。
让我们从已知很多类型不支持移动操作开始这个过程。为了升级到C++11,C++98的很多标准库做了大修改,为很多类型提供了移动的能力,这些类型的移动实现比复制操作更快,并且对库的组件实现修改以利用移动操作。但是很有可能你工作中的代码没有完整地利用C++11。对于你的应用中(或者代码库中),没有适配C++11的部分,编译器即使支持移动语义也是无能为力的。的确,C++11倾向于为缺少移动操作定义的类默认生成,但是只有在没有声明复制操作,移动操作,或析构函数的类中才会生成移动操作(参考Item17)。禁止移动操作的类中(通过delete move operation 参考Item11),编译器不生成移动操作的支持。对于没有明确支持移动操作的类型,并且不符合编译器默认生成的条件的类,没有理由期望C++11会比C++98进行任何性能上的提升。
即使显式支持了移动操作,结果可能也没有你希望的那么好。比如,所有C++11的标准库都支持了移动操作,但是认为移动所有容器的开销都非常小是个错误。对于某些容器来说,压根就不存在开销小的方式来移动它所包含的内容。对另一些容器来说,开销真正小的移动操作却使得容器元素移动含义事与愿违。
考虑一下std::array
,这是C++11中的新容器。std::array
本质上是具有STL接口的内置数组。这与其他标准容器将内容存储在堆内存不同。存储具体数据在堆内存的容器,本身只保存了只想堆内存数据的指针(真正实现当然更复杂一些,但是基本逻辑就是这样)。这种实现使得在常数时间移动整个容器成为可能的,只需要拷贝容器中保存的指针到目标容器,然后将原容器的指针置为空指针就可以了。
std::vector<Widget> vm1;
auto vm2 = std::move(vm1); // move vm1 into vm2. Runs in constant time. Only ptrs in vm1 and vm2 are modified
std::array
没有这种指针实现,数据就保存在std::array
容器中
std::array<Widget, 10000> aw1;
auto aw2 = std::move(aw1); // move aw1 into aw2. Runs in linear time. All elements in aw1 are moved into aw2.
注意aw1
中的元素被移动到了aw2
中,这里假定Widget
类的移动操作比复制操作快。但是使用std::array
的移动操作还是复制操作都将花费线性时间的开销,因为每个容器中的元素终归需要拷贝一次,这与“移动一个容器就像操作几个指针一样方便”的含义想去甚远。
另一方面,std::strnig
提供了常数时间的移动操作和线性时间的复制操作。这听起来移动比复制快多了,但是可能不一定。许多字符串的实现采用了small string optimization(SSO)。"small"字符串(比如长度小于15个字符的)存储在了std::string
的缓冲区中,并没有存储在堆内存,移动这种存储的字符串并不必复制操作更快。
SSO的动机是大量证据表明,短字符串是大量应用使用的习惯。使用内存缓冲区存储而不分配堆内存空间,是为了更好的效率。然而这种内存管理的效率导致移动的效率并不必复制操作高。
即使对于支持快速移动操作的类型,某些看似可靠的移动操作最终也会导致复制。Item14解释了原因,标准库中的某些容器操作提供了强大的异常安全保证,确保C++98的代码直接升级C++11编译器不会不可运行,仅仅确保移动操作不会抛出异常,才会替换为移动操作。结果就是,即使类提供了更具效率的移动操作,编译器仍可能被迫使用复制操作来避免移动操作导致的异常。
因此,存在几种情况,C++11的移动语义并无优势:
- No move operations:类没有提供移动操作,所以移动的写法也会变成复制操作
- Move not faster:类提供的移动操作并不必复制效率更高
- Move not usable:进行移动的上下文要求移动操作不会抛出异常,但是该操作没有被声明为
noexcept
值得一提的是,还有另一个场景,会使得移动并没有那么有效率:
- Source object is lvalue:除了极少数的情况外(例如 Item25),只有右值可以作为移动操作的来源
但是该Item的标题是假定不存在移动操作,或者开销不小,不使用移动操作。存在典型的场景,就是编写模板代码,因为你不清楚你处理的具体类型是什么。在这种情况下,你必须像出现移动语义之前那样,保守地考虑复制操作。不稳定的代码也是如此,类的特性经常被修改导致可能移动操作会有问题。
但是,通常,你了解你代码里使用的类,并且知道是否支持快速移动操作。这种情况,你无需这个Item的假设,只需要查找所用类的移动操作详细信息,并且调用移动操作的上下文中,可以安全的使用快速移动操作替换复制操作。
需要记住的事
- Assume that move operations are not present, not cheap, and not used.
- 完全了解的代码可以忽略本Item