C++11至C++20：移动构造函数的演变史，看代码如何越来越优雅

# 1. C++移动语义的基础和重要性

在现代C++编程实践中，资源管理的效率是性能优化的关键之一。移动语义是C++11标准引入的一个重要特性，旨在减少不必要的资源复制，通过转移资源的所有权来提高程序效率。移动语义的实现倚靠移动构造函数和移动赋值运算符，它们使得对象能够以低成本“移动”而非“复制”资源。理解移动语义及其背后的原理对于写出高效且资源友好的代码至关重要，特别是当涉及到具有复杂资源管理或大量动态分配内存的对象时。在这一章中，我们将探究移动语义的基本概念，以及它为何成为C++编程中的一个核心优化手段。

# 2. C++11中的移动构造函数

### 2.1 C++11移动语义的引入

#### 2.1.1 值类别和值语义的区别

在C++11之前，C++中的值类别主要分为左值（lvalue）和右值（rvalue）。左值代表一个可标识的内存位置，可以出现在赋值语句的左侧，例如变量名；右值通常是临时对象，它们只能出现在赋值语句的右侧，例如函数返回的临时对象。然而，这种划分在涉及资源管理时存在一定的问题。

值语义指的是当对象赋值或传递给函数时，其完整状态被复制。传统的拷贝构造函数和赋值运算符通过值语义进行操作，这在管理动态分配的资源（如动态数组或智能指针）时，会导致资源的复制，进而增加了不必要的开销。

C++11引入了新的值类别，称为纯右值（prvalue）和将亡值（xvalue），以及左值（lvalue）和右值（rvalue）的组合。这一改进为编译器提供了更好的优化资源管理的机会，而移动语义正是基于这种新的值类别设计。

#### 2.1.2 右值引用和std::move的使用

右值引用的引入是C++11对移动语义支持的关键。右值引用使用两个和号 `&&` 来标记，如 `T&&`，它可以绑定到一个临时对象上。右值引用允许我们修改那些本来在作用域结束时会被销毁的对象，从而允许资源的"移动"而不是复制。

右值引用的一个重要用途是通过`std::move`来实现。`std::move`函数并不移动任何资源，它只是将一个左值强制转换为右值引用，表明我们可以放弃该对象的资源，从而允许通过移动构造函数或移动赋值运算符来转移资源所有权。

int main() {
    std::string str = "Hello";
    std::string str2 = std::move(str);  // str2通过移动语义接管str的资源
    // str现在处于有效但未指定状态，不应再使用
}

### 2.2 移动构造函数的实现原理

#### 2.2.1 “偷取资源”概念的介绍

移动构造函数的目的是高效地将一个对象的资源转移到另一个对象。这个过程也被称为"偷取资源"，因为构造函数并没有创建资源的新副本，而是将资源从源对象"偷走"，然后将其赋予目标对象。资源被转移后，源对象进入一个特殊状态，即“有效但未指定状态”，即它的行为像一个默认初始化的对象。

这个原理的核心在于减少资源复制的开销。例如，对于一个包含大动态数组的类，移动构造函数可以避免复制这个数组，而是直接转移数组的所有权。

class Example {
public:
    std::vector<int> data;
    Example() : data(100000) {} // 预分配大数组
    Example(Example&& other) noexcept // 移动构造函数
    : data(std::move(other.data)) {
        // 其他资源的移动逻辑
    }
};

#### 2.2.2 移动构造函数和拷贝构造函数的区别

移动构造函数与拷贝构造函数的主要区别在于其目的和行为。拷贝构造函数通过创建资源的一个新副本来进行复制操作，适合那些不支持共享所有权的资源（如动态分配的内存）。相反，移动构造函数并不复制资源，而是将资源的所有权从源对象转移到目标对象，这种操作对于支持所有权转移的资源（如智能指针）是有效的。

移动构造函数的参数通常是对常量左值引用，以便能够接受临时对象（右值）。拷贝构造函数则应该接受对常量左值引用的参数，以防止无限递归调用（拷贝和移动构造函数都应该接受右值引用参数）。

class Example {
public:
    Example(const Example& other) {
        // 拷贝构造函数逻辑
    }
    Example(Example&& other) noexcept {
        // 移动构造函数逻辑
    }
};

### 2.3 移动构造函数的最佳实践

#### 2.3.1 何时需要手动定义移动构造函数

标准库容器（如`std::vector`和`std::string`）和其他标准库类型已经为其移动构造函数进行了优化。然而，对于用户自定义类型，只有在管理资源（如动态分配的内存、文件句柄、锁等）时，才需要考虑定义移动构造函数。如果一个类通过标准库容器或智能指针等拥有资源，那么移动构造函数应该被定义为转移这些资源的所有权。

class Resource {
    std::unique_ptr<int[]> buffer;
    size_t size;
public:
    Resource(Resource&& other) noexcept // 移动构造函数
    : buffer(std::move(other.buffer)), size(other.size) {
        other.size = 0; // 将其他对象置于未指定状态
    }
};

#### 2.3.2 移动构造函数的注意事项和陷阱

定义移动构造函数时需要注意几个问题，包括异常安全性和对异常的处理。移动构造函数应当是异常安全的，即在构造过程中发生异常时，不会留下资源泄漏或其他错误状态。通常来说，移动操作应该尽可能不抛出异常。

另外，需要避免自赋值的情况，因为移动操作可能破坏源对象的状态。一般情况下，编写移动构造函数时应当先移动资源，然后再将源对象置于一个"有效但未指定"的状态。

// 确保移动后对象不会对自身再次进行移动操作
if (this != &other) {
    buffer = std::move(other.buffer);
    size = other.size;
    other.size = 0; // 确保对象处于未指定状态
}

在定义移动构造函数时，还应当考虑与拷贝构造函数的互操作性。如果移动构造函数抛出异常，那么拷贝构造函数仍然应该可用，以便能够作为备选方案。为了保证这一点，通常移动构造函数内部可以调用拷贝构造函数来处理异常情况。

// 如果移动失败，则抛出异常
if (无法移动资源) {
    throw std::runtime_error("移动构造失败");
}
// 否则继续执行移动

在某些情况下，例如当资源类型不支持移动操作时，可能需要自定义移动构造函数来抛出`std::bad_alloc`异常，以保证异常安全性。自定义移动构造函数还需要确保对异常抛出时的状态进行清理，以避免资源泄漏。

# 3. C++11至C++14的移动构造函数优化

随着C++11标准的引入，移动语义已经成为了性能优化的一个重要方面。而C++14对移动构造函数又带来了进一步的增强，让程序员可以更灵活地处理移动操作。本章节将探讨从C++11到C++14期间，标准库容器的改进、异常安全性与移动构造函数的关系，以及C++14对移动构造函数的扩展。

## 标准库容器的移动操作改进

在C++11中，标准库容器如`std::vector`和`std::string`等都实现了移动构造函数和移动赋值运算符。这让它们在传递大型对象时，可以避免不必要的资源复制。C++11中，移动语义通过`std::move`实现，可以将对象的状态从一个实例转移到另一个实例，从而显著提高程序性能。

### 标准容器的移动构造函数和赋值运算符

C++11标准为标准库容器中的许多类提供了优化过的移动操作。例如，`std::vector`的移动构造函数：

vector(vector&& v) noexcept;
vector& operator=(vector&& v) noexcept;

在C++14中，对上述移动操作进行了进一步的优化。下面是使用C++14标准的`std::vector`的移动操作的优化案例：

// 示例：C++14标准下，std::vector的移动操作
#include <vector