Записки программиста

Мне лично в языке C++ всегда казалась довольно сложной для понимания тема всех эти copy assignment’ов, move constructor’ов, perfect forwarding’а и вот этого всего. Поскольку без этих знаний в современном C++ далеко не уедешь, решил попробовать во всем разобраться. Не могу сказать, что теперь владею материалом в совершенстве, но на небольшую заметку-введение вроде наскреблось. Авось кому будет интересно.

Базовый код с запретом копирования и присваивания

Если вы пока точно не знаете, как будет использоваться класс, лучше всего просто запретить копирование и присваивание. По умолчанию они разрешены и просто копируют все атрибуты класса. Часто это не то, чего вы хотите. Например, тупо копировать какие-то указатели, файловые дескрипторы или мьютексы, являющиеся атрибутами класса, явно плохая идея. Простейший код, в котором копирование и присваивание класса явно запрещены:

Вывод программы:

Пока что никаких неожиданностей. Стоит отметить, что вместо:

… можно написать:

… тем самым явно указав на то, что вас устраивают реализации по умолчанию.

Copy constructor

Объявим copy contructor:

Заметьте, что в нем мы имеем доступ к private полям второго экземпляра класса (obj), несмотря на то, что это другой экземпляр. Вывод программы:

Оба синтаксиса эквивалентны, в обоих случаях был вызван copy constructor. Конструктор для каждого объекта был вызван один раз. Можно было и не писать этот код, так как реализация copy constructor по умолчанию и так просто копирует атрибуты класса.

Copy assignment

Объявим copy assignment оператор:

Вывод:

Заметьте, что деструктор при присвоении не вызывается. Это означает, что в реализации copy assignment следует освобождать старые ресурсы перед присвоением новых значений.

Move constructor

Перепишем код следующим образом:

Вывод:

Как видите, мы создаем копию из временного объекта, после чего он сразу уничтожается. Для нас это не проблема, так как объект маленький. Но если бы он содержал в себе большие объемы данных, мы бы создали их полную копию, а затем одну из копий освободили бы. Для решения этой проблемы придумали move constructor:

Вывод:

Move constructor вызывается вместо copy constructor в случае, когда объект, из которого создается копия, вот-вот будет уничтожен. В таком конструкторе обычно данные из временного объекта переносятся в новый объект, а полям временного объекта присваиваются nullptr или что-то такое. Важно понимать, что при выходе из move constructor оба объекта должны оставаться валидными и для обоих должен корректно отрабатывать деструктор. Ссылка T&& называется rvalue reference и означает ссылку на объект, который вот-вот будет уничтожен.

Move assignment

Аналогично move constructor, только для присваивания. Например, код:

… выведет:

Объявим move assignment оператор:

Вывод:

Move assignment оператор позволяет применить те же оптимизации, что и move constructor. В move constructor поля объекта, переданного в качестве аргумента, обычно как-то зануляются. В move assignment лучше сделать swap полей в двух объектах. Это позволит избавиться от дублирования кода между оператором move assignment и деструктором.

std::move

Move constructor бывает трудно стригерить. Например, код:

… выведет:

Так происходит, потому что метод setX возвращает lvalue reference, а у move constructor на входе совершенно другой тип, rvalue reference. Чтобы явно показать, что временный объект мы больше использовать не будем, предусмотрен std:move. Если переписать код так:

… программа выведет:

В сущности, std::move просто кастует lvalue reference (T&) в rvalue reference (T&&), больше ничего. При чтении кода std::move как бы говорит нам, что мы отдаем владение объектом в этом месте и далее не собираемся его использовать.

std::forward

Шаблон std::forward предназначен исключительно для написания шаблонных методов, способных принимать на вход как lvalue, так и rvalue, в зависимости от того, что передал пользователь, и передавать соответствующий тип далее без изменений. Техника получила название perfect forwarding.

Рассмотрим пример. Определим оператор сложения двух координат:

Вывод:

Смотрите, что происходит. При первом вызове оператора сложения переменная t инициализируется при помощи copy constructor, так как c1 не является временным объектом. Однако при втором вызове первым аргументом передается временный объект c1 + c2, и из него переменная t инициализируется уже при помощи move constructor. То есть, фактически std::forward позволил написать процедуру один раз, вместо того, чтобы писать две версии — одну, принимающую первым аргументом lvalue reference, и вторую, работающую с rvalue reference.

Заключение

Заметьте, что думать про всякие move semantics и perfect forwarding нужно только при работе с объектами, держащими в себе много данных, и только если вы часто копируете или присваиваете такие объекты. Это исключительно оптимизация, и без нее все будет совершенно корректно работать (более того, ничего этого не существовало до появления C++11). Пока профайлер не говорит вам, что вы во что-то такое не уперлись, возможно, не стоит заморачиваться. Помните также, что компилятор зачастую может избавляться от лишнего копирования объектов, см return value optimization (RVO) и copy elision.

С другой стороны, теорию понимать стоит независимо от того, упирается ваш код в копирование и перемещение объектов, или нет. Как минимум, move semantics и иже с ним может использоваться в чужом коде. В частности, он используется в STL, см например метод emplace_back класса std::vector или метод emplace класса std::map. Кроме того, понимание move semantics будет весьма нелишним при использовании умных указателей.

Дополнительные материалы:

• В книге Effective Modern C++, вся глава 5 посвящена move semantics и perfect forwarding;
• Про RVO и NRVO хорошо написано в блоге Елены Сагалаевой;

Как видите, если сесть и спокойно во всем разобраться, то, вроде как, и ничего сложного. Я, впрочем, далеко не гуру C++. Так что, если вы видите, что мое понимание материала расходится с действительностью, пожалуйста, не поленитесь сообщить об этом в комментариях.

Метки: C/C++.