Obsidian-Main/01. 個人/02. 專注Study/20220601 - C++/rvalue.md

rvalue 是指：

• 等號右邊的值
• 臨時的值，例如運算的結果
• 無法被取址（address-of）的物件

rvalue reference

一般的參考只能參考lvalue，如下的程式是ok的：

int a = 10;
int& b = a;

但是像這樣就不行了：

int a = 10;
int b = 5;
int& c = a + b;

因為a+b是一個 rvalue（臨時的值，沒辦法取址），所以無法參考。
但是可以用&&來參考 rvalue。例如：

int a = 10;
int b = 5;
int&& c = a + b; // c = 15

而不用這樣：

int a = 10;
int b = 5;
int r = a + b;
int& c = r;

了解 rvalue reference 之後，就可以實作類別的 move constructor 跟 move assignment operator。這可以減少複製的成本。

Move constructor

假設我們有一個 class 叫 BigBuffer，定義如下：

class BigBuffer {
public:
    BigBuffer(int size=100*1024*1024) :
        bufferSize(size)
    {
        std::cout << "BigBuffer constructor\n";
        this->buffer = std::make_unique<uint8_t[]>(bufferSize);
    }

    ~BigBuffer() {
        std::cout << "BigBuffer destructor\n";
    }

    BigBuffer(const BigBuffer& src) {
        std::cout << "BigBuffer copy constructor\n";
        bufferSize = src.bufferSize;
        buffer = std::make_unique<uint8_t[]>(bufferSize);
        std::memcpy(buffer.get(), src.buffer.get(), bufferSize);
    }
    
    BigBuffer& operator= (BigBuffer& src) {
        std::cout << "BigBuffer copy operator\n";
        bufferSize = src.bufferSize;
        buffer = std::make_unique<uint8_t[]>(bufferSize);
        std::memcpy(buffer.get(), src.buffer.get(), bufferSize);
        return *this;
    }

private:
    int bufferSize = 0;
    std::unique_ptr<uint8_t[]> buffer = nullptr;
};

這個 class 的特色就是每一次使用都會佔用100MB的記憶體空間，想像下面的程式的動作：

BigBuffer buf1;
// Do something with buf1
// Assign to buf2
BigBuffer buf2 = buf1;

執行訊息：

BigBuffer constructor  // create buf1
BigBuffer copy constructor, copy 104857600Bytes  // copy buf1 to buf2
...

這會先產生 buf1，然後把 buf1 copy 給 buf2。如果我們想要省下 copy 的成本，這時候 Move constructor 就可以派上用場了。 幫 BigBuffer 加一個 Move constructor：

class BigBuffer {
public:
    ...
    
    BigBuffer(BigBuffer&& src) noexcept {
        std::cout << "BigBuffer move constructor\n";
        bufferSize = src.bufferSize;
        buffer = std::move(src.buffer);

        src.buffer.reset();
        src.bufferSize = 0;
    }
    ...
};

這個 move constructor 的參數就是一個 rvalue reference，我們把來源的 bufferSize 跟 buffer 指標「移到」我們這邊，而不是完整的複製一份。在轉移之後呢，當然也要把來源清空，讓轉移更加明確。

有了 Move assignment operator 之後，在執行一次原本的程式，你會發現訊息......沒有變，還是一樣呼叫 copy constructor 來複製了100MB 的 buffer，這時我們需要明確的告訴 compiler 我們要「移動」物件，而不是複製它，把原本的程式改為：

BigBuffer buf1;
// Do something with buf1
// Assign to buf2
BigBuffer buf2 = std::move(buf1);

我們用 std::move() 來「移動」物件，這時輸出變成

BigBuffer constructor      // create buf1
BigBuffer move constructor // move buf1 to buf2, buf1 has nullptr now
...

另外一個情形也可以受益於此，假如我們有個 function 會產生 BigBuffer，如下：

BigBuffer BigBufferCreator() {
    std::cout << "BigBufferCreator: Create a BigBuffer!\n";
    BigBuffer tempb;
    // do something
    std::cout << "BigBufferCreator: return\n";
    return tempb;
}

BigBuffer b = BigBufferCreator(); // copy tempb to b

在沒有 Move constructor 的情況下，上面的程式會先產生一個 tempb，然後複製給 b，訊息：

BigBufferCreator: Create a BigBuffer!
BigBuffer constructor
BigBufferCreator: return
BigBuffer copy constructor, copy 104857600Bytes // Copy 100MB!
...

在有 Move constructor 的情況下，訊息就變成：

BigBufferCreator: Create a BigBuffer!
BigBuffer constructor
BigBufferCreator: return
BigBuffer move constructor  // Use MOVE!
BigBuffer destructor
BigBuffer destructor

因為 BigBufferCreator() 產生的就是一個 BigBuffer rvalue，所以 compiler 會使用 move constructor（BigBuffer(BigBuffer&& src)） 而不是 copy constructor。

Move assignment operator(=)

Move assignment operator 的行為跟 move constructor 是一樣的，幫 BigBuffer 加入 move assignment operator：

class BigBuffer {
public:
    ...
    
    BigBuffer& operator=(BigBuffer&& src) noexcept {
        std::cout << "BigBuffer move operator\n";
        bufferSize = src.bufferSize;
        buffer = std::move(src.buffer);
        
        src.buffer.reset();
        src.bufferSize = 0;
        return *this;
    }
    ...
};

測試程式：

BigBuffer b1, b2;
b2 = b1;

訊息：

BigBuffer constructor
BigBuffer constructor
BigBuffer copy operator, copy 104857600Bytes

還是使用 copy assignment operator 來複製，理由是一樣的，需要一個明確的 std::move() 來表示「轉移」的行動，把程式改成：

BigBuffer b1, b2;
b2 = std::move(b1);

這樣就可以了。訊息：

BigBuffer constructor
BigBuffer constructor
BigBuffer move operator // Use MOVE!

參考

• Value categories - cppreference.com
• rvalue 參考
• Move constructors - cppreference.com
• Move assignment operator - cppreference.com