深入分析C++對象模型之移動構(gòu)造函數(shù)

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C++11新標準中最重要的特性之一就是引入了支持對象移動的能力，為了支持移動的操作，新標準引入了一種新的引用類型——右值引用，右值引用一個重要的性質(zhì)就是只能綁定到一個將要銷毀的對象。對對象執(zhí)行移動操作后要確保源對象處于可析構(gòu)的狀態(tài)，源對象隨時可能被銷毀，所以程序在之后不要再去使用源對象的值，同時也要保證源對象析構(gòu)之后不會對移入對象產(chǎn)生副作用。移動語義的加持使得移動一個如容器之類的大對象的成本可以像復(fù)制一個指針一樣低廉了，于是出現(xiàn)了各種各樣的傳言：如編譯器會使用移動操作來替代拷貝操作以獲得效率上的提升，甚至說將符合C++98標準的以前的老代碼用符合C++11新標準的編譯器重新編譯一次，一行代碼未改即可獲得運行速度上質(zhì)的提升。對于種種傳聞，事實上是否如此？接下來讓我們撥開層層迷霧，來一探究竟，看完這篇文章，你的心中就會有答案。

為了支持對象的移動，新標準新增了移動構(gòu)造函數(shù)和移動賦值運算符，移動構(gòu)造函數(shù)和移動賦值運算符的情形類似，所以放在一起討論。對于傳聞中如果程序中沒有定義移動構(gòu)造函數(shù)，那么編譯器就會幫助程序生成一個移動構(gòu)造函數(shù)這一說法是否可靠？我們以實際的代碼來分析一下，由于移動構(gòu)造函數(shù)需要一個右值引用作為第一個參數(shù)，測試代碼中可以使用標準庫里的move函數(shù)來產(chǎn)生一個右值引用，move函數(shù)其實就是一個類型轉(zhuǎn)換，它可以把一個左值轉(zhuǎn)換成右值引用�？纯聪旅娴拇�碼是否編譯器會合成出來移動構(gòu)造函數(shù)：

#include 

class Object {
    int a;
};

int main() {
    Object d;
    Object d1 = std::move(d);
    
    return 0;
}

把它編譯成匯編代碼看一下：

main:						# @main
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    mov     dword ptr [rbp - 4], 0
    mov     eax, dword ptr [rbp - 8]
    mov     dword ptr [rbp - 16], eax
    xor     eax, eax
    pop     rbp
    ret

實際上編譯器并沒有生成一個移動構(gòu)造函數(shù)，甚至任何構(gòu)造函數(shù)都沒有生成。因為沒有必要，在這種情況下，編譯器可以做一些優(yōu)化，執(zhí)行按對象的成員逐個復(fù)制過去就可以了，不需要生成一個函數(shù)來做這個事情。上面匯編代碼的第5、第6行就是將對象d（存放在�？臻g[rbp - 8]中）的內(nèi)容先拷貝到eax寄存器，然后再從寄存器eax拷貝到對象d1（存放在棧空間[rbp - 16]中）。

那么在什么情況下才會合成出來移動構(gòu)造函數(shù)呢？

編譯器合成移動構(gòu)造函數(shù)的條件

編譯器只有在以下的這些情況下才會合成出來移動構(gòu)造函數(shù)：

1. 類中沒有定義拷貝構(gòu)造函數(shù)、拷貝賦值運算符、析構(gòu)函數(shù)；且：
2. 類的定義中有一個類類型的成員，這個類成員定義了移動構(gòu)造函數(shù)；或者：
3. 繼承的父類中定義了移動構(gòu)造函數(shù)；或者：
4. 類中定義了或者從父類中繼承了一個以上的虛函數(shù)；或者：
5. 類的繼承鏈上有一個父類是virtual base class。

在上面C++代碼的Object類中增加一個std::string類型的成員，std::string是標準庫中提供的操作字符串的類，類中有定義了移動構(gòu)造函數(shù)。Object類定義如下：

class Object {
    std::string s;
    int a;
};

把它編譯成匯編代碼，可以看到這下匯編代碼變得很多，不光生成了Object類的移動構(gòu)造函數(shù)，還有默認構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)。main函數(shù)的匯編代碼如下：

main:							# @main
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    sub     rsp, 96
    mov     dword ptr [rbp - 4], 0
    lea     rdi, [rbp - 48]
    call    Object::Object() [base object constructor]
    lea     rdi, [rbp - 88]
    lea     rsi, [rbp - 48]
    call    Object::Object(Object&&) [base object constructor]
    mov     dword ptr [rbp - 4], 0
    lea     rdi, [rbp - 88]
    call    Object::~Object() [base object destructor]
    lea     rdi, [rbp - 48]
    call    Object::~Object() [base object destructor]
    mov     eax, dword ptr [rbp - 4]
    add     rsp, 96
    pop     rbp
    ret

上面匯編代碼的第7行調(diào)用了Object類的默認構(gòu)造函數(shù)，因為string類里也定義了默認構(gòu)造函數(shù)，所以這里需要去調(diào)用它，具體分析可見另外一篇的分析文章。第10行實際上就是調(diào)用Object類的移動構(gòu)造函數(shù)了，在Object類的移動構(gòu)造函數(shù)里會去調(diào)用string類的移動構(gòu)造函數(shù)。所以可以推測出來，只有需要調(diào)用類類型成員的移動構(gòu)造函數(shù)的時候編譯器才會合成一個移動構(gòu)造函數(shù)出來，在合成的移動構(gòu)造函數(shù)中去調(diào)用它，上面的第3種情況也類似，第4和第5種情形是因為編譯器需要重設(shè)虛表指針，所以也會生成一個移動構(gòu)造函數(shù)來完成，這些情形跟合成拷貝構(gòu)造函數(shù)的機制是類似的，具體的分析可以見《編譯器背后的行為之拷貝構(gòu)造函數(shù)》這篇文章，這里就不再一一贅述了。

編譯器抑制合成移動構(gòu)造函數(shù)的情形

雖然說合成移動構(gòu)造函數(shù)的時機和合成拷貝構(gòu)造函數(shù)的類似，但是合成移動構(gòu)造函數(shù)的條件要比合成拷貝構(gòu)造函數(shù)要苛刻得多，在以下的情形中，移動構(gòu)造函數(shù)的合成將受到抑制，編譯器不會合成一個移動構(gòu)造函數(shù)出來。

• 類中只要定義了拷貝構(gòu)造函數(shù)、拷貝賦值運算符和析構(gòu)函數(shù)的其中一個，編譯器就不會合成移動構(gòu)造函數(shù)

有這么一個指導(dǎo)原則，叫做Rule of Three，大意是：主要你定義了拷貝構(gòu)造函數(shù)、拷貝賦值運算符、析構(gòu)函數(shù)中的一個，你就必須要全部定義它們。原因就是既然你需要自己實現(xiàn)拷貝的操作，說明這里需要管理資源，比如內(nèi)存的申請和釋放，在拷貝構(gòu)造函數(shù)里需要管理資源，意味著在拷貝賦值運算符函數(shù)里也需要，反之亦然，同時也需要在析構(gòu)函數(shù)中釋放資源。由此可以得出的推論就是如果你定義了這其中的一個函數(shù)，說明有資源需要特別處理，那么編譯器合成出來的移動構(gòu)造函數(shù)可能就不是你想要的效果，甚至破壞程序的邏輯，引起潛在的bug，所以編譯器就不會合成出來移動構(gòu)造函數(shù)。

按照上面的推論，如果定義了析構(gòu)函數(shù)，那么編譯器就不應(yīng)該生成拷貝構(gòu)造函數(shù)和拷貝賦值運算符了，但是C++98標準中卻留下了一個“bug“：在定義了析構(gòu)函數(shù)之后，編譯器還是會在有需要的時候合成出拷貝構(gòu)造函數(shù)和拷貝賦值運算符，C++11標準為了兼容C++98，同樣地也允許合成出來，但是對于移動構(gòu)造函數(shù)和移動賦值運算符， C++11標準中明確規(guī)定了：只要定義了析構(gòu)函數(shù)，編譯器便不再合成出移動構(gòu)造函數(shù)和移動賦值運算符。

如果你的代碼中沒有定義上面的三種函數(shù)，你的類中的成員也是可以移動的，編譯器在這時也為程序合成出了移動構(gòu)造函數(shù)或者移動賦值運算符，如果這一切正符合你的本意，那么這種情況下建議你，最好在你的代碼中把移動構(gòu)造函數(shù)或移動賦值運算符用=default顯示地聲明出來。原因在于，假如有一個類，類中有一個容器，容器存放了大量的數(shù)據(jù)，類中沒有定義拷貝構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)等，編譯器也合成了移動構(gòu)造函數(shù)，使得對象的移動非常高效。但是突然有天來個需求，需要在對象的構(gòu)造和析構(gòu)時記錄下來，于是你增加了構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)以滿足需求，但是加入代碼重新編譯之后發(fā)現(xiàn)程序執(zhí)行的效率變差了，甚至有可能差了幾個數(shù)量級， 根源在于你定義了析構(gòu)函數(shù)之后，編譯器便不再合成移動構(gòu)造函數(shù)了，而是用拷貝操作替換了移動的操作 ，所以顯示地聲明它們是一種好的習(xí)慣，盡管我們不需要實現(xiàn)這個函數(shù)的代碼，所以使用 =default 讓編譯器來自動生成。

• 如果類的定義中有一個類類型的成員或者繼承自一個父類，這個類成員或者父類里的移動構(gòu)造函數(shù)或者移動賦值運算符被定義為刪除的（=delete）或者是不可訪問的（定義為private），那么此類的移動構(gòu)造函數(shù)或者移動賦值運算符被定義為刪除的。

如下面的例子：

#include 
#include 

class Base {
public:
    Base() = default;
    Base(Base&& rhs) = delete;
    int b;
};

class Object {
public:
    Base b;
    std::string s;
    int a;
};

int main() {
    Object d;
    Object d1 = std::move(d);	// 這行編譯不通過。
    
    return 0;
}

上面的例子中，編譯器不再會生成移動構(gòu)造函數(shù)和拷貝構(gòu)造函數(shù)，所以第20行的代碼將編譯不通過，因為沒有拷貝構(gòu)造函數(shù)或移動構(gòu)造函數(shù)供調(diào)用。

• 如果類的析構(gòu)函數(shù)被定義為刪除的或不可訪問的，那么此類的移動構(gòu)造函數(shù)被定義為刪除的。

移動操作并未使效率更高的情況

在某些情況下，移動構(gòu)造函數(shù)或移動賦值運算符被正確地合成出來或者由程序員定義出來了，但是程序卻并未如預(yù)期的提升運行效率，如以下的場景：

• 沒有移動操作

假如類中有了移動構(gòu)造函數(shù)（合成的或者用戶定義的），同時類中有一個類類型的成員，這個成員剛好存放著大量數(shù)據(jù)，而此成員的類定義中沒有定義移動構(gòu)造函數(shù)，因此它只可以拷貝而不能移動。當對對象實施move操作時，實際上將會對對象的每個成員依次遞歸地實施move調(diào)用，它將匹配適合這個成員的操作，即如果成員是可移動則執(zhí)行移動操作，如果不可移動的則執(zhí)行拷貝操作。所以實際上將會調(diào)用此成員的拷貝構(gòu)造函數(shù)。

另一種情形，如std::array容器，它是C++11標準新提供的容器類型，功能相當于內(nèi)建的數(shù)組，它不同于別的容器類型將數(shù)據(jù)存儲在堆中，然后使用指針指向數(shù)據(jù)，移動容器只需賦值指針，然后將源指針置空即可。array容器的數(shù)據(jù)是存放在對象上，即使數(shù)組里存放的元素類型能提供移動操作，那也得需要一個個地將每個元素執(zhí)行一遍移動操作，這個時間是一個線性時間復(fù)雜度。

• 移動的效率不高

std::string類往往采用了小型字符串優(yōu)化（small string optimization, SSO）的實現(xiàn)手法，SSO是將小型字符串（比如長度小于15個字符）直接存儲在string對象內(nèi)的緩沖區(qū)中，超過這個長度的則存放在堆上。之所以采用SSO優(yōu)化手法，就是因為在實際應(yīng)用場景中大多數(shù)使用的字符串長度都比較短，這樣可避免頻繁地申請和釋放內(nèi)存帶來的開銷。在使用了SSO的情況下，移動一個string對象并不比較拷貝來得更快，實際上這種情況移動操作執(zhí)行的是拷貝動作。

• 移動操作未被調(diào)用

即使類中提供的移動操作比拷貝操作的效率明顯要高得多，但是也有可能未能調(diào)用到移動操作，依然使用的是拷貝操作，導(dǎo)致實際效果效率不高的問題。比如標準庫中的vector容器，它提供了一個push_back的接口，調(diào)用此接口向容器中加入一個元素，這時有可能容器的容量滿了，需要申請一塊更大的內(nèi)存，然后把原先內(nèi)存位置的元素搬過去再銷毀掉。vector容器的實現(xiàn)者需要保證這個過程的前后狀態(tài)要保持不變，在移動元素時，如果元素的類型提供了移動功能，那么vector容器就會使用它，但是要求這個移動操作必須是noexcept的，假如移動操作不能保證是noexcept的，vector容器就不會使用它。

試想一下，假如在移動到一半的時候，這時拋出了異常，移動操作隨即停止，這時一半的元素在新空間中，一半的元素在舊的空間中，vector無法恢復(fù)到原先的狀態(tài)。拷貝操作則不會存在這個問題，假如在拷貝過程中出現(xiàn)問題，那么只需要將新空間的元素和新申請的內(nèi)存釋放掉，vector的狀態(tài)還是保持不變。

所以如果你的類型中的移動構(gòu)造函數(shù)未加上noexcept聲明，即使類型中的移動操作比對應(yīng)的拷貝操作的效率要高效得多，編譯器仍會強制去調(diào)用拷貝操作而非移動操作。因此建議當你定義自己版本的移動構(gòu)造函數(shù)或移動賦值運算符的時候，要確保不會拋出異常，并在聲明中明確加上noexcept聲明。

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