17 Сен 2021

Семантика перемещения

17 Сен 2021

Семантика перемещения – это совокупность семантических правил и средств языка C++, предназначенных для перемещения объектов, время жизни которых скоро истечет, вместо их копирования. Операция перемещения данных передает владение данными от одного объекта к другому и в большинстве случаев не изменяет размещение этих данных физически в памяти. Это позволяет избежать дорогостоящего копирования.

Семантика перемещения была введена в стандарте C++11. Для ее реализации были добавлены rvalue ссылки, конструкторы перемещения и перемещающий оператор присваивания. Также в стандартную библиотеку шаблонов (STL) были добавлены функции для поддержки семантики перемещения, например, std::move и std::forward.

Когда нужна семантика перемещения

Представим ситуацию, что необходимо написать шаблонную функцию Swap, принимающую два любых объекта одного типа и меняющую их местами. Простая реализация такой функции может выглядеть следующим образом:

template <typename T>
void Swap(T &lhs, T &rhs)
{
  T t = lhs;
  lhs = rhs;
  rhs = t;
}

На первый взгляд, все замечательно – функция умеет работать с двумя объектами одинакового типа и производит их обмен. Однако у такой реализации есть существенный недостаток. Рассмотрим следующий фрагмент кода:

std::vector<int> arrA(1'000'000, 0);
std::vector<int> arrB(1'000'000, 1);
Swap(arrA, arrB);

Здесь создаются два объекта типа std::vector<int> по 1'000'000 элементов, и затем происходит обмен между ними. Шаблон класса std::vector содержит нетривиальный конструктор копирования, который делает следующее:

производит динамическую аллокацию памяти на нужное количество элементов;
полностью копирует элементы из переданного экземпляра std::vector.

В результате будет произведено 3'000'000 копирований объектов типа int. Ситуация может усугубиться еще сильнее, если класс std::vector инстанцирован нетривиально копируемым типом.

Для того, чтобы избавиться от ненужных копирований, можно воспользоваться семантикой перемещения. Для этого необходимо указать компилятору, что объект может быть перемещен, преобразовав его к rvalue-ссылке:

#include <type_traits>

template <typename T>
void Swap(T &lhs, T &rhs) noexcept
{
  using rvalue_ref = typename std::remove_reference<T>::type &&;
  T t = static_cast<rvalue_ref>(lhs);
  lhs = static_cast<rvalue_ref>(rhs);
  rhs = static_cast<rvalue_ref>(t);
}

В случае шаблона класса std::vector его нетривиальный конструктор/оператор перемещения произведет обмен указателей на динамическую память, устраняя дорогостоящие операции по аллокации памяти и копированию элементов.

Для того, чтобы упростить написание кода при перемещении объектов, в стандартную библиотеку была введена функция std::move, которая превращает переданный ей объект в rvalue-ссылку:

#include <utility>

template <typename T>
void Swap(T &lhs, T &rhs) noexcept
{
  T t = std::move(lhs);
  lhs = std::move(rhs);
  rhs = std::move(t);
}