Add [C++ 筆記] Lambda

2022-06-13 21:33:28 +08:00
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+slug: "[C++ 筆記] rvalue reference"
+title: "[C++ 筆記] rvalue reference"
+description: 
+toc: true
+authors:
+    - awin
+tags:
+    - c++
+categories:
+    - Programming
+series:
+    - C++ 筆記
+date: 2019-12-08T00:00:00
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+---
+
+
+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
+
+<!--more-->
+
+## rvalue reference
+一般的參考只能參考[[lvalue]]，如下的程式是ok的：
+```cpp
+int a = 10;
+int& b = a;
+```
+
+但是像這樣就不行了：
+```cpp
+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：
+```cpp
+int a = 10;
+int b = 5;
+int&& c = a + b; // c = 15
+```
+
+而不用這樣：
+```cpp
+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：
+```cpp
+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： 
+```cpp
+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：
+```cpp
+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：
+```cpp
+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：
+```cpp
+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：
+```cpp
+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：
+```cpp
+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：
+```cpp
+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](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/value_category)
+- [rvalue 參考](https://openhome.cc/Gossip/CppGossip/RvalueReference.html)
+- [Move constructors - cppreference.com](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/move_constructor)
+- [Move assignment operator - cppreference.com](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/move_assignment)