Modern Effective C++ 条款二十九三十：移动语义和完美转发失败的情况
条款二十九：假定移动操作不存在，成本高，未被使用
移动语义可以说是C++11最主要的特性。"移动容器和拷贝指针一样开销小"，"拷贝临时对象现在如此高效，“写代码避免这种情况简直就是过早优化"。很多开发者认为通过采用移动语义可以极大地优化代码效率，甚至有时会听到“移动容器与拷贝指针一样开销小”这样的说法，以及建议不必过分担心临时对象的复制问题，因为移动语义已经让这个过程变得非常高效。然而移动语义有失败的情况。
移动语义允许通过移动操作来提高程序性能。然而，并非所有类型都支持移动操作，且即使支持，其带来的性能提升也未必如预期般显著。本文将讨论C++11中移动语义的局限性及其在不同类型中的表现。
1. 容器差异
案例1：std::array
并非所有容器都能从移动语义中获得相同程度的好处。例如std::vector等基于堆分配内存的容器可以通过简单地转移指针实现高效移动。std::array直接存储元素而非指向动态分配内存的指针，因此其移动操作涉及每个元素的单独处理，开销为线性时间复杂度。
考虑一下std::array(C++11中的新容器)>。std::array本质上是具有STL接口的内置数组。这与其他标准容器将内容存储在堆内存不同。存储具体数据在堆内存的容器，本身只保存了指向堆内存中容器内容的指针(实现更复杂,基本逻辑是这样)。这个指针的存在使得在常数时间移动整个容器成为可能，只需要从源容器拷贝保存指向容器内容的指针到目标容器，然后将源指针置为空指针就可以了：
std::vector<Widget> vw1;
//把数据存进vw1.
//把vw1移动到vw2.
//以常数时间运行.只有vw1和vw2中的指针被改变
auto vw2 = std::move(vw1);
std::array没有这种指针实现，数据就保存在std::array对象中：
std::array<Widget, 10000> aw1;
//把数据存进aw1
//把aw1移动到aw2。以线性时间运行
//aw1中所有元素被移动到aw2
auto aw2 = std::move(aw1);
aw1中的元素被移动到了aw2中。假定Widget类的移动操作比复制操作快，移动Widget的std::array就比复制要快。所以std::array确实支持移动操作。但是使用std::array的移动操作还是复制操作都将花费线性时间的开销，因为每个容器中的元素终归需要拷贝或移动一次，这与“移动一个容器就像操作几个指针一样方便”的含义相去甚远。
案例2：std::string
尽管std::string提供了常数时间复杂度的移动操作与线性时间复杂度的复制操作，但小字符串优化（SSO）使得对于短字符串来说，移动并不比复制更高效。SSO允许短字符串直接存储在std::string对象缓冲区，避免了额外的堆内存分配。在这种情况下，移动这样的字符串不会比复制更快。S大量证据表明，短字符串是大量应用使用的习惯。使用内存缓冲区存储而不分配堆内存空间，是为了更好的效率。
2. 异常安全与移动操作
异常安全性：C++标准库中的某些容器为了提供强大的异常安全保障，要求移动操作必须是noexcept。如果一个类提供的移动操作没有声明为noexcept，即使它实际上更高效，编译器也可能选择使用复制操作以确保代码的异常安全性。这限制了移动语义在这些情况下的应用。
情况分析
（1）没有移动操作:如果要移动的对象不支持移动操作，则移动表达式会退化为复制操作。
（2）移动不比复制快:即使存在移动操作，如果移动的成本不低于复制，那么移动可能并不会带来性能上的提升。
（3）移动不可用：在需要保证移动操作不会抛出异常的情况下，若移动操作未声明为noexcept，则编译器将不得不使用复制操作。
（4）源对象是左值：通常只有右值可以作为移动操作的来源；左值作为来源时，除非特别设计，否则一般采用复制而非移动。
通用编程中的考虑
编写泛型代码或模板时，由于无法预知具体类型是否支持高效的移动操作，应谨慎地依赖于复制操作。这类不稳定的代码经常变更，导致类型特性变化，也应采取保守策略。当对所使用的类型有充分了解，并且该类型确实支持快速移动操作时，可以在合适的上下文中利用这一点来替换复制操作，从而提高性能。
条款三十：熟悉完美转发失败的情况
C++11的完美转发是非常好用，但是只有当你愿意忽略一些误差情况(完美转发失败的情况)，这个条款就是使你熟悉这些情形。
完美转发(perfect forwarding)意味着我们不仅转发对象，我们还转发显著的特征：它们的类型，是左值还是右值，是const还是volatile。结合到我们会处理引用形参，意味着将使用通用引用，因为通用引用形参被传入实参时才确定是左值还是右值。
假定有一些函数f，编写一个转发给它的函数（事实上是一个函数模板）。我们需要的核心看起来像是这样：
template<typename T>
void fwd(T&& param)//接受任何实参{
f(std::forward<T>(param)); //转发给f
}转发函数是通用的。例如fwd模板，接受任何类型的实参，并转发得到的任何东西。这种通用性的逻辑扩展是，转发函数不仅是模板，而且是可变模板，因此可以接受任何数量的实参。fwd的可变形式如下：
template<typename... Ts>
void fwd(Ts&&... params)//接受任何实参{
f(std::forward<Ts>(params)...); //转发给f
}这种形式你会在容器emplace functions中（item42）和 智能指针的工厂函数std::make_unique和std::make_shared中（item21）看到，当然还有其他一些地方。
给定我们的目标函数f和转发函数fwd，如果f使用某特定实参会执行某个操作，但是fwd使用相同的实参会执行不同的操作，完美转发就会失败。导致这种失败的实参种类有很多。知道它们是什么以及如何解决它们很重要，因此让我们来看看无法做到完美转发的实参类型。
花括号初始化器
假定f这样声明
void f(conststd::vector<int>& v);用花括号初始化调用f通过编译
f({ 1, 2, 3 }); //可以,“{1, 2, 3}”隐式转换为std::vector<int>但是传递相同的列表初始化给fwd不能编译
fwd({ 1, 2, 3 }); //错误!不能编译这是完美转发失效的一种情况。当通过调用函数模板fwd间接调用f时，编译器不再把调用地传入给fwd的实参和f的声明中形参类型进行比较。而是推导传入给fwd的实参类型，然后比较推导后的实参类型和f的形参声明类型。当下面情况任何一个发生时，完美转发就会失败：
编译器不能推导出fwd的一个或者多个形参类型。 这种情况下代码无法编译。
编译器推导“错”了fwd的一个或者多个形参类型。
"错误"可能意味着fwd的实例将无法使用推导出的类型进行编译，但是也可能意味着使用fwd的推导类型调用f，与用传给fwd的实参直接调用f表现出不一致的行为。
这种不同行为的原因可能是因为f是个重载函数的名字，并且由于是“不正确的”类型推导，在fwd内部调用的f重载和直接调用的f重载不一样。
在上面的fwd({ 1, 2, 3 })例子中，将花括号初始化传递给未声明为std::initializer_list的函数模板形参。着编译器不准在对fwd的调用中推导表达式{ 1, 2, 3 }的类型，因为fwd的形参没有声明为std::initializer_list。对于fwd形参的推导类型被阻止，编译器只能拒绝该调用。
item2说明了使用花括号初始化的auto的变量的类型推导是成功的。这种变量被视为std::initializer_list对象，在转发函数应推导出类型为std::initializer_list的情况，这提供了一种简单的解决方法：使用auto声明一个局部变量，然后将局部变量传进转发函数：
auto il = { 1, 2, 3 }; //il的类型被推导为std::initializer_list<int>
fwd(il); //可以，完美转发il给f(这个地方没看懂)
0或者NULL作为空指针
item8说明当试图传递0或者NULL作为空指针给模板时，类型推导会出错，会把传来的实参推导为一个整型类型（典型情况为int）而不是指针类型。
结果就是不管是0还是NULL都不能作为空指针被完美转发。解决方法非常简单，传一个nullptr而不是0或者NULL(参考item8)。
仅有声明的整型static const数据成员
通常无需在类中定义整型static const数据成员；声明就可以了。这是因为编译器会对此类成员实行常量传播（const propagation），因此消除了保留内存的需要。
声明与定义的区别
告诉编译器某个实体(变量,函数,类等)的名称和类型,不为其分配存储空间。不仅告诉编译器实体的名称和类型，还为其分配存储空间，并可能提供初始化值或实现。
static const 整型数据成员的特殊情况。
对于static const整型数据成员，可以在类内部进行初始化，但这实际上是声明的一部分。编译器会将这个常量的值传播到所有使用它的地方，从而不需要为它分配实际的存储空间。例如：
class Widget {
public:
static const std::size_t MinVals = 28; // 声明并初始化
};MinVals被声明为static const整型数据成员，并且在类内部进行了初始化。编译器会在所有使用Widget::MinVals的地方直接替换为28，因此不需要为MinVals分配内存。
为什么这仍然是声明？
编译器优化：编译器会对static const整型数据成员进行常量传播，这意味着它可以直接将值28插入到所有使用MinVals的地方，而不需要实际的存储空间。由于不需要实际的存储空间，MinVals不会在对象文件中生成符号，因此不会产生外部链接。
如果需要通过引用或指针传递MinVals，或者需要获取其地址，那么必须提供一个定义。
// 在Widget的.cpp文件中
const std::size_t Widget::MinVals; // 定义引用和指针需要实际的内存地址来指向，而不仅仅是值。如果没有定义，编译器将无法找到实际的内存地址，导致链接错误。
class Widget{
public:
static const std::size_t MinVals = 28; //声明并初始化
};
//使用
void printValue(std::size_t val) {
std::cout << "Value: " << val << std::endl;
}
template<typename T>
void fwd(T&& arg) {
printValue(std::forward<T>(arg));
}
int main() {
std::vector<int> widgetData;
widgetData.reserve(Widget::MinVals);//使用MinVals
printValue(Widget::MinVals);//可以，视为“printValue(28)”
//下面的调用会导致链接错误，因为fwd需要实际的内存地址
//fwd(Widget::MinVals); // 错误！不应该链接
return 0;
}为了修复链接错误，需要在.cpp文件中提供定义：
// 在Widget的.cpp文件中
const std::size_t Widget::MinVals; // 定义尽管代码中没有使用MinVals的地址，但是fwd的形参是通用引用,引用在编译器生成的代码中，通常被视作指针。在程序的二进制底层代码中指针和引用是一样的。在这个水平上，引用只是可以自动解引用的指针。通过引用传递MinVals实际上与通过指针传递MinVals是一样的，因此，必须有内存使得指针可以指向。通过引用传递的整型static const数据成员，通常需要定义它们，这个要求可能会造成在不使用完美转发的代码成功的地方，使用等效的完美转发失败。
根据标准，通过引用传递MinVals要求有定义。但不是所有的实现都强制要求这一点。所以，取决于你的编译器和链接器，你可能发现你可以在未定义的情况使用完美转发，恭喜你，但是这不是那样做的理由。为了具有可移植性，只要给整型static const提供一个定义：
const std::size_t Widget::MinVals; //在Widget的.cpp文件注意定义中不要重复初始化（这个例子中就是赋值28）。但是不要忽略这个细节。如果你忘了，并且在两个地方都提供了初始化，编译器就会报错，提醒你只能初始化一次。
重载函数与模板名称在完美转发中的问题
假设有一个函数f，接受一个函数指针作为参数，并且这个函数指针的类型是int (*)(int)。可以通过传递一个符合条件的函数来定制f的行为。
void f(int (*pf)(int)); // pf = "process function"
// 或者使用更简单的非指针语法
void f(int pf(int));重载函数的问题
如果有一个重载函数processVal
int processVal(int value);
int processVal(int value, int priority = 1);可以直接将processVal传递给f，因为编译器可以根据f的参数类型推断出需要哪个版本的processVal：
f(processVal); //可以,编译器选择正确的processVal版本当使用一个完美转发函数fwd时，问题出现了。fwd是一个模板函数，没有具体的类型信息，因此编译器无法确定应该传递哪个版本的processVal。
template<typename T>
void fwd(T&& arg) {
f(std::forward<T>(arg));
}
fwd(processVal); // 错误！哪个processVal？函数模板的问题
同样的问题也出现在函数模板上。假设有一个函数模板workOnVal：
template<typename T>
T workOnVal(T param) {
// 处理值的模板
}尝试将workOnVal传递给fwd也会失败，因为编译器不知道应该实例化哪个版本的workOnVal：
fwd(workOnVal); // 错误！哪个workOnVal实例？解决方法
为了使完美转发能够处理重载函数或函数模板，需要显式地指定要传递的具体函数或函数模板实例。这可以通过创建一个具体类型的函数指针来实现。（这个没看懂）
定义类型别名：
定义一个类型别名，表示所需的函数指针类型。
using ProcessFuncType = int (*)(int); // 定义类型别名创建函数指针：
使用该类型别名创建一个函数指针，并将其初始化为所需的重载函数或函数模板实例。
ProcessFuncType processValPtr = processVal; // 指定所需的processVal签名传递函数指针：
将创建的函数指针传递给fwd。
fwd(processValPtr); // 可以处理函数模板：
对于函数模板，可以使用static_cast来显式地实例化并传递。
fwd(static_cast<ProcessFuncType>(workOnVal)); // 也可以#include <iostream>
// 目标函数
void f(int (*pf)(int)) {
std::cout << "f called with: " << pf(42) << std::endl;
}
// 重载函数
int processVal(int value) {
return value * 2;
}
int processVal(int value, int priority) {
return value + priority;
}
// 函数模板
template<typename T>
T workOnVal(T param) {
return param * 3;
}
// 完美转发函数
template<typename T>
void fwd(T&& arg) {
f(std::forward<T>(arg));
}
int main() {
// 定义类型别名
using ProcessFuncType = int (*)(int);
// 创建函数指针
ProcessFuncType processValPtr = processVal;
// 传递函数指针
fwd(processValPtr); // 正确
// 传递函数模板实例
fwd(static_cast<ProcessFuncType>(workOnVal<int>)); // 正确
return 0;
}位域与完美转发的问题
位域（bit-fields）是一种特殊的成员变量，用于节省内存空间。它们通常用来表示结构体或类中的小整数。然而，当涉及到完美转发时，位域会带来一些特殊的问题。位域可能只占用一个机器字的部分位，例如32位整型中的某些位。这些位无法直接寻址，因此不能通过指针或引用直接访问。C++标准明确禁止非const引用绑定到位域上，因为位域可能不是对齐的，且不支持直接寻址。
假设有一个IPv4头部结构体定义如下：
struct IPv4Header {
std::uint32_t version:4,IHL:4,DSCP:6,ECN:2,totalLength:16;
//其他字段...
};如果有一个函数f接收一个std::size_t类型的参数，并且希望使用IPv4Header对象的totalLength字段调用它，那么直接调用是可行的：
void f(std::size_t sz); //要调用的函数
IPv4Header h;
// 填充h.totalLength
f(h.totalLength); //可以正常工作但是，如果你希望通过一个转发函数fwd来调用f，并且fwd的参数是引用类型，那么就会出现问题。
template<typename T>
void fwd(T&& arg) {
f(std::forward<T>(arg));
}
IPv4Header h;
// 填充h.totalLength
fwd(h.totalLength); // 错误！non-const引用不能绑定到位域解决方法
为了使完美转发能够处理位域，可以采取以下几种方法：
（1）按值传递
将位域的值复制到一个新的变量中，然后将这个新变量传递给目标函数。
auto length = static_cast<std::uint16_t>(h.totalLength);
fwd(length); // 正确，传递的是副本（2）传const引用
使用const引用传递位域的值。根据C++标准，const引用实际上绑定到一个包含位域值的临时整型对象。
void f(const std::uint16_t& sz); //修改f的参数为const引用
template<typename T>
void fwd(T&& arg){
f(std::forward<T>(arg));
}
IPv4Header h;
//填充h.totalLength
fwd(h.totalLength); //正确,const引用绑定到临时对象（3）显式创建临时对象
在调用转发函数之前，显式地创建一个临时对象，然后传递这个临时对象。
auto length = static_cast<std::uint16_t>(h.totalLength);
fwd(length); // 正确，传递的是副本请记住：
- 当模板类型推导失败或者推导出错误类型，完美转发会失败。
- 导致 完美转发失败的实参种类有 花括号初始化，作为 空指针的
0或者NULL，仅有声明的整型static const数据成员，模板和重载函数的名字，位域。