About the rvalue reference

之前拜讀過 yoco315 所翻譯的 Rvalue References 文章, 把原本相當複雜的概念寫得非常淺顯易懂, 讓我當時忍不住手癢實驗了一下.
由於這是一個全新的特性, 當時還沒有很完整的 coding standard 可參考, 因此越寫疑惑就越深, 最後就先把注意力轉移到其他特性, 如 lambda expression.

今天的 OSDC.tw 很幸運地遇到 fr3@K 給了一場 C++11 的 talk, 讓我又再次燃起熱血, 便藉著指導新生的機會也來順便練習 class design.

首先要說的是, 使用 pimpl idiom 的 classes 較容易從 rvalue reference 和 swap 受益. 原因無它, handle classes 的成員變數只有一個指標, 無論是 move 或是 swap 都只要改變指標的值即可, 無須額外的 allocation 即可達成目的. 另外一個巨大的好處是可以讓實作與介面真正的分離, 這在一個大型的 C++ project 可以省下非常多的編譯時間. 未使用 pimpl idiom 的 classes 通常會比較麻煩一點, 因為很可能不是所有的 member variable 都被實作為 movable.

那麼要如何實作一個 movable 的 class? 最少必須要實作 move constructor 以及 overload move assignment operator. e.g.:

class BigInteger {
public:
    BigInteger( BigInteger && that );
    BigInteger & operator =( BigInteger && that );
private:
    class Private;
    std::unique_ptr< Private > p_;
};

Move constructor 的實作很簡單, 把別人的 member variable 全搶過來就對了:

BigInteger::BigInteger( BigInteger && that ): p_( move( that.p_ ) ) {
}

Move assignment operator 的邏輯也一樣, 反正 rvalue 之後就會蒸發, 你可以隨意惡搞它:

BigInteger & BigInteger::operator =( BigInteger && that ) {
    this->p_.swap( that.p_ );
    return *this;
}

注意這和一般版本的 assignment operator 不同, 你不需要也不能做證同測試, 因為每個 rvalue 都是不一樣的, 而且 rvalue 也無法取址.

好的, 這就是所有我們所需要的; 但是不是所有的函式都應該加上 rvalue reference 版本的 overloading 呢? 基本上, 我摸索出來的大原則是, 只有當你需要偷別人的 resource 來建立一個新複本時才需要 rvalue reference. 舉例來說, 這樣子的 operator 就沒必要使用 rvalue reference:

bool operator ==( const BigInteger & a, const BigInteger & b );

因為這個動作是 read-only, 並且沒有必要複製物件. 但當你需要回傳一個新的物件時, 你可以慎重考慮增加 rvalue 支援. 為什麼說要慎重考慮呢? 以 binary operators 為例:

BigInteger operator +( const BigInteger & a, const BigInteger & b );
BigInteger operator +( const BigInteger & a, BigInteger && b );
BigInteger operator +( BigInteger && a, const BigInteger & b );
BigInteger operator +( BigInteger && a, BigInteger && b );

你必須要為四種不同的組合個別提供 overloading version. 第四個版本其實沒多大意義, 因為就算兩個 operand 都是 rvalue, 最後還是只能 move 其中一個 operand. 但沒有這個版本, 在兩端都是 rvalue 的使用條件下會出現岐義, 因為 compiler 不確定要把哪一端 bind 成 lvalue.

另外, 和 RVO (Return Value Optimization) 的 concept 不同, RVO 是 compiler 的一個最佳化技巧, 它是直接消除 copy constructor 的呼叫動作, 但 move semantic 的宗旨是廉價的 copy, 它還是需要呼叫 constructor, 只是這個 constructor 的成本很低. 當你需要 move semantic 時, 請記得使用 std::move, 否則 compiler 會視狀況呼叫 copy constructor:

T T::function() {
    // return T(); <- may calls T( const T & )
    return std::move( T() ); // calls T( T && )
}

缺憾是目前 N2439 還沒有 compiler 實作出來, 不然就可以 move *this:

class BigInteger {
public:
    BigInteger operator -() const &;
    BigInteger operator -() const &&;
};

第二個版本可以在自己就是 rvalue 的情況下直接把自己 move 出去, 其他的情況就乖乖得複製一份複本.