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c++ - 为什么需要 move 语义来消除临时拷贝?

coder 2024-02-13 原文

所以我对 move 语义的理解是,它们允许您覆盖用于临时值(右值)的函数,并避免可能昂贵的拷贝(通过将状态从未命名的临时值 move 到您命名的左值)。

我的问题是为什么我们需要特殊的语义?为什么 C++98 编译器不能省略这些拷贝,因为是编译器决定给定表达式是左值还是右值?例如:

void func(const std::string& s) {
    // Do something with s
}

int main() {
    func(std::string("abc") + std::string("def"));
}

即使没有 C++11 的 move 语义,编译器仍然应该能够确定传递给 func() 的表达式是右值,因此不需要从临时对象进行复制。那么为什么要有区别呢?看起来这种 move 语义的应用本质上是复制省略或其他类似编译器优化的变体。

再举一个例子,为什么要像下面这样的代码呢?

void func(const std::string& s) {
    // Do something with lvalue string
}

void func(std::string&& s) {
    // Do something with rvalue string
}

int main() {
    std::string s("abc");

    // Presumably calls func(const std::string&) overload
    func(s);

    // Presumably calls func(std::string&&) overload
    func(std::string("abc") + std::string("def"));
}

似乎 const std::string& 重载可以处理这两种情况:像往常一样的左值,以及作为 const 引用的右值(因为根据定义,临时表达式有点 const)。由于编译器知道表达式何时是左值或右值,因此它可以决定是否在右值的情况下省略拷贝。

基本上,为什么 move 语义被认为是特殊的,而不仅仅是 C++11 之前的编译器可以执行的编译器优化?

最佳答案

确切地说, move 函数不会删除临时拷贝。

存在相同数量的临时对象,只是调用了 move 构造函数而不是通常调用复制构造函数,它允许蚕食原始而不是制作独立的拷贝。这有时可能会更有效。

C++ 正式对象模型根本没有被 move 语义修改。对象仍然有一个明确定义的生命周期,从某个特定地址开始,到它们在那里被销毁时结束。他们一生中从不“move ”。当它们被“移出”时,真正发生的是内脏从一个计划很快死亡的对象中挖出,并有效地放置在一个新对象中。看起来他们 move 了,但正式地说,他们并没有 move ,因为那样会完全破坏 C++。

离开并不是死亡。需要 move 才能使对象处于“有效状态”,在该状态下它们仍然存在,并且析构函数将始终在以后调用。

省略拷贝是完全不同的事情,在一些临时对象链中,一些中间对象被跳过。在 C++11 和 C++14 中,编译器不需要删除拷贝,它们允许这样做,即使它可能违反“as-if”规则通常指导优化。也就是说,即使复制构造函数可能有副作用,处于高优化设置的编译器仍可能会跳过一些临时文件。

相比之下,“保证复制省略”是一项新的 C++17 功能,这意味着该标准要求在某些情况下发生复制省略。

move 语义和复制省略提供了两种不同的方法来提高这些“临时链”场景中的效率。在 move 语义中,所有的临时对象仍然存在,但我们不是调用复制构造函数,而是调用一个(希望)更便宜的构造函数,即 move 构造函数。在复制省略中,我们可以一起跳过一些对象。

Basically, why are move semantics considered special and not just a compiler optimization that could have been performed by pre-C++11 compilers?

move 语义不是“编译器优化”。它们是类型系统的新部分。即使在 gccclang 上使用 -O0 编译时也会发生 move 语义——它导致不同的函数之所以调用,是因为现在在引用类型中“注释”了一个对象即将消亡的事实。它允许“应用程序级优化”,但这与优化器所做的不同。

也许您可以将其视为安全网。当然,在理想世界中,优化器总是会消除所有不必要的拷贝。但是,有时构造一个临时对象很复杂,涉及动态分配,而且编译器并不能看透它。在许多这样的情况下, move 语义会拯救你,这可能会让你完全避免进行动态分配。这反过来可能会导致生成的代码更易于优化器分析。

保证复制省略的事情有点像,他们找到了一种方法来形式化一些关于临时变量的“常识”,这样更多的代码不仅可以在优化后按照您期望的方式工作,而且 需要 在编译时以您期望的方式工作,并且在您认为不应该真正存在拷贝时不调用复制构造函数。所以你可以,例如从工厂函数按值返回不可复制、不可 move 的类型。编译器发现在过程中更早的时候没有发生复制,甚至在它到达优化器之前。这实际上是这一系列改进的下一次迭代。

关于c++ - 为什么需要 move 语义来消除临时拷贝?,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/40987478/

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