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2021-01-27 10:57:47 +08:00

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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++11C++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