女朋友：有点感慨，这些年她在背后默默为你做了那么多事......

范蠡

发布于 2022-08-26 12:52:02

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代码可运行

我之前在《女朋友问我：什么时候用 C 而不用 C++？》这篇文章中说，C++ 与 C 语言的一个很大区别是，C++ 编译器在我们的代码背后偷偷加了许多代码，尤其是 C++11 有了明确的右值引用，引出移动构造和右值赋值（operator =(T&&)）之后，这一点更加明显。

最近把 C++11 右值相关的内容重新复习了一下之后，加上使用右值技术改造了一些项目之后，甚是感慨，所以有了这篇文章。

先来看一段代码吧：

/**
 * 版本1
 */

#include <iostream>
#include <functional>
#include <map>
#include <string>
#include <memory>
#include <cstdint>

enum class Method {
    Get,
    Post
};

struct Request {

};

struct Response {
    int32_t     data1;
    std::string data2;
};

using Handler = std::function<bool(const Request& req, Response& resp)>;

struct HandlerItem {
    Handler     handler;
    int32_t     timeout;
};

class HttpSessionManger {
public:
    bool registerRouter(const std::string& path, Method method, Handler handler, int32_t timeout = 5000) {
        auto iter = m_routeHandlers.find(method);
        if (iter == m_routeHandlers.end()) {
            m_routeHandlers[method] = std::map<std::string, HandlerItem>();
        }

        HandlerItem handlerItem;
        handlerItem.handler = handler;
        handlerItem.timeout = timeout;

        auto iter2 = m_routeHandlers[method].find(path);
        if (iter2 != m_routeHandlers[method].end()) {
            // 路由存在
            return false;
        }

        m_routeHandlers[method][path] = handlerItem;

        return true;
    }

    bool onRoute(const std::string& path, Method method, void* param) {
        auto iter = m_routeHandlers.find(method);
        if (iter == m_routeHandlers.end()) {
            return false;
        }

        auto iter2 = iter->second.find(path);
        if (iter2 == iter->second.end()) {
            return false;
        }
        

        HandlerItem handlerItem = iter2->second;
        
        Request req;
        Response resp;
        return handlerItem.handler(req, resp);
    }

private:
    //内层map的key为path，value为HandlerItem
    std::map<Method, std::map<std::string, HandlerItem>> m_routeHandlers;
};


class HttpServer {
public:
    void init(const std::string& ip, short port) {
        m_spSessionManager = std::make_shared<HttpSessionManger>();
    }

    bool registerRouter(const std::string& path, Method method, Handler handler, int32_t timeout = 5000) {
        return m_spSessionManager->registerRouter(path, method, handler, timeout);
    }

    bool run(const std::string& path, Method method, void* param) {
        return m_spSessionManager->onRoute(path, method, param);
    }

private:
    std::shared_ptr<HttpSessionManger>  m_spSessionManager;
};

int main()
{
    HttpServer httpServer;
    httpServer.init("0.0.0.0", 8888);

    int32_t param1 = 123;
    std::string param2 = "helloworld";

    httpServer.registerRouter("/test", Method::Get, [&param1, &param2](const Request& req, Response& resp) -> bool {
        resp.data1 = param1;
        resp.data2 = param2;

        return true;
    });

    httpServer.run("/test", Method::Get, nullptr);

    
    return 0;
}

这段代码模拟了一个 HttpServer 框架，对外暴露 HttpServer 类，HttpServer 类内部实际管理路由的类是 HttpSessionManager，路由注册和调度都是对 HttpSessionManager 中的路由进行管理。

我们用 cppinsights （https://cppinsights.io/）看下实际编译器为我们生成了什么样的代码。

#include <iostream>
#include <functional>
#include <map>
#include <string>
#include <memory>
#include <cstdint>

enum class Method : int
{
    Get,
    Post
};

struct Request
{
    // inline constexpr Request() noexcept = default;
};

struct Response
{
    int32_t data1;
    std::basic_string<char> data2;
    // inline ~Response() noexcept = default;
    // inline Response() noexcept = default;
};


using Handler = std::function<bool(const Request&, Response&)>;

struct HandlerItem
{
    std::function<bool(const Request&, Response&)> handler;
    int32_t timeout;
    // inline HandlerItem(const HandlerItem &) noexcept(false) = default;
    // inline HandlerItem & operator=(const HandlerItem &) noexcept(false) = default;
    // inline ~HandlerItem() noexcept = default;
    // inline HandlerItem() noexcept = default;
};

class HttpSessionManger
{

public:
    inline bool registerRouter(const std::basic_string<char>& path, Method method, std::function<bool(const Request&, Response&)> handler, int32_t timeout)
    {
        std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > > > > iter = std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > > > >(this->m_routeHandlers.find(method));
        if (operator==(iter, this->m_routeHandlers.end())) {
            this->m_routeHandlers.operator[](method).operator=(std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > >());
        }

        HandlerItem handlerItem = HandlerItem();
        handlerItem.handler.operator=(handler);
        handlerItem.timeout = timeout;
        std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > iter2 = std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> >(this->m_routeHandlers.operator[](method).find(path));
        if (operator!=(iter2, this->m_routeHandlers.operator[](method).end())) {
            return false;
        }

        this->m_routeHandlers.operator[](method).operator[](path).operator=(handlerItem);
        return true;
    }

    inline bool onRoute(const std::basic_string<char>& path, Method method, void* param)
    {
        std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > > > > iter = std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > > > >(this->m_routeHandlers.find(method));
        if (operator==(iter, this->m_routeHandlers.end())) {
            return false;
        }

        std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > iter2 = std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> >(iter.operator->()->second.find(path));
        if (operator==(iter2, iter.operator->()->second.end())) {
            return false;
        }

        HandlerItem handlerItem = HandlerItem(iter2.operator->()->second);
        Request req = Request();
        Response resp = Response();
        return handlerItem.handler.operator()(req, resp);
    }

private:
    std::map<Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > >, std::less<Method>, std::allocator<std::pair<const Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > > > > > m_routeHandlers;
public:
    // inline ~HttpSessionManger() noexcept = default;
    // inline HttpSessionManger() noexcept = default;
};

class HttpServer
{

public:
    inline void init(const std::basic_string<char>& ip, short port)
    {
        this->m_spSessionManager.operator=(std::make_shared<HttpSessionManger>());
    }

    inline bool registerRouter(const std::basic_string<char>& path, Method method, std::function<bool(const Request&, Response&)> handler, int32_t timeout)
    {
        return static_cast<const std::__shared_ptr_access<HttpSessionManger, 2, 0, 0>&>(this->m_spSessionManager).operator->()->registerRouter(path, method, std::function<bool(const Request&, Response&)>(handler), timeout);
    }

    inline bool run(const std::basic_string<char>& path, Method method, void* param)
    {
        return static_cast<const std::__shared_ptr_access<HttpSessionManger, 2, 0, 0>&>(this->m_spSessionManager).operator->()->onRoute(path, method, param);
    }


private:
    std::shared_ptr<HttpSessionManger> m_spSessionManager;
public:
    // inline constexpr HttpServer() noexcept = default;
    // inline ~HttpServer() noexcept = default;
};

int main()
{
    HttpServer httpServer = HttpServer();
    httpServer.init(std::basic_string<char>("0.0.0.0", std::allocator<char>()), 8888);
    int32_t param1 = 123;
    std::basic_string<char> param2 = std::basic_string<char>(std::basic_string<char>("helloworld", std::allocator<char>()));

    class __lambda_106_53
    {
    public:
        inline bool operator()(const Request& req, Response& resp) const
        {
            resp.data1 = param1;
            resp.data2.operator=(param2);
            return true;
        }

    private:
        int32_t& param1;
        std::basic_string<char>& param2;
    public:
        // inline /*constexpr */ __lambda_106_53(const __lambda_106_53 &) noexcept = default;
        // inline /*constexpr */ __lambda_106_53(__lambda_106_53 &&) noexcept = default;
        __lambda_106_53(int& _param1, std::basic_string<char>& _param2)
            : param1{ _param1 }
            , param2{ _param2 }
        {}

    };

    httpServer.registerRouter(std::basic_string<char>("/test", std::allocator<char>()), Method::Get, std::function<bool(const Request&, Response&)>(std::function<bool(const Request&, Response&)>(__lambda_106_53(__lambda_106_53{ param1, param2 }))), 5000);
    httpServer.run(std::basic_string<char>("/test", std::allocator<char>()), Method::Get, nullptr);
    return 0;
}

代码有点乱，主要是掺杂着许多模板的代码，我用红色字体标出哪些是编译器自动插入的代码。分析之后，我们可以得出以下结论：

在 C++ 中 class 和 struct 已经没本质区别了，struct 不再是 C 语言中那样的 plain object，即使不显式定义结构体的构造函数、析构函数等，编译器也会为我们自动生成，因为一旦定义了一个结构体变量，就会调用其构造和析构函数。
lamda 表达式本质上是一个（匿名）对象，其之所以能捕获外部变量是因为这些被捕获的变量会以某种方式（值记录或者引用记录）记录在这个匿名对象中，本质上和 std::bind 一样，例如上述代码中注册路由的 lamda 表达最后就变成了类__lambda_106_53。

更精彩的事情还在后面，我们将版本 1 的代码修改一下，来看下版本 2：

/**
 * 版本2
 */

#include <iostream>
#include <functional>
#include <map>
#include <string>
#include <memory>
#include <cstdint>

enum class Method {
    Get,
    Post
};

struct Request {
public:
    Request() = default;
};

struct Response {
public:
    Response() = default;

    int32_t     data1;
    std::string data2;
};

using Handler = std::function<bool(const Request& req, Response& resp)>;

struct HandlerItem {
    Handler     handler;
    int32_t     timeout;
};

class HttpSessionManger {
public:
    bool registerRouter(const std::string& path, Method method, Handler&& handler, int32_t timeout = 5000) {
        auto iter = m_routeHandlers.find(method);
        if (iter == m_routeHandlers.end()) {
            m_routeHandlers.emplace(std::pair<Method, std::map<std::string, HandlerItem>>(method, std::move(std::map<std::string, HandlerItem>())));
        }

        HandlerItem handlerItem;
        handlerItem.handler = std::move(handler);
        handlerItem.timeout = timeout;

        auto iter2 = m_routeHandlers[method].find(path);
        if (iter2 != m_routeHandlers[method].end()) {
            // 路由存在
            return false;
        }

        m_routeHandlers[method].emplace(std::pair<std::string, HandlerItem>(path, std::move(handlerItem)));

        return true;
    }

    bool onRoute(const std::string& path, Method method, void* param) {
        auto iter = m_routeHandlers.find(method);
        if (iter == m_routeHandlers.end()) {
            return false;
        }

        auto iter2 = iter->second.find(path);
        if (iter2 == iter->second.end()) {
            return false;
        }


        HandlerItem& handlerItem = iter2->second;

        Request req;
        Response resp;
        return handlerItem.handler(req, resp);
    }

private:
    //内层map的key为path，value为HandlerItem
    std::map<Method, std::map<std::string, HandlerItem>> m_routeHandlers;
};


class HttpServer {
public:
    void init(const std::string& ip, short port) {
        m_spSessionManager = std::make_shared<HttpSessionManger>();
    }

    bool registerRouter(const std::string& path, Method method, Handler&& handler, int32_t timeout = 5000) {
        return m_spSessionManager->registerRouter(path, method, std::move(handler), timeout);
    }

    bool run(const std::string& path, Method method, void* param) {
        return m_spSessionManager->onRoute(path, method, param);
    }

private:
    std::shared_ptr<HttpSessionManger>  m_spSessionManager;
};

int main()
{
    HttpServer httpServer;
    httpServer.init("0.0.0.0", 8888);

    int32_t param1 = 123;
    std::string param2 = "helloworld";

    httpServer.registerRouter("/test", Method::Get, [&param1, &param2](const Request& req, Response& resp) -> bool {
        resp.data1 = param1;
        resp.data2 = param2;

        return true;
    });

    httpServer.run("/test", Method::Get, nullptr);


    return 0;
}

我用红色字体标记出与版本 1 相比的改动之处。

我们再用 cppinsights 来看下编译器实际会生成什么代码：

#include <iostream>
#include <functional>
#include <map>
#include <string>
#include <memory>
#include <cstdint>

enum class Method : int
{
    Get,
    Post
};

struct Request
{

public:
    inline constexpr Request() noexcept = default;
};


struct Response
{

public:
    inline Response() noexcept = default;
    int32_t data1;
    std::basic_string<char> data2;
    // inline ~Response() noexcept = default;
};


using Handler = std::function<bool(const Request&, Response&)>;


struct HandlerItem
{
    std::function<bool(const Request&, Response&)> handler;
    int32_t timeout;
    // inline HandlerItem(HandlerItem &&) noexcept = default;
    // inline ~HandlerItem() noexcept = default;
    // inline HandlerItem() noexcept = default;
};

class HttpSessionManger
{
public:
    inline bool registerRouter(const std::basic_string<char>& path, Method method, std::function<bool(const Request&, Response&)>&& handler, int32_t timeout)
    {
        std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > > > > iter = this->m_routeHandlers.find(method);
        if (operator==(iter, this->m_routeHandlers.end())) {
            this->m_routeHandlers.emplace<std::pair<Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > > > >(std::pair<Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > > >(method, std::move(std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > >())));
        }

        HandlerItem handlerItem = HandlerItem();
        handlerItem.handler.operator=(std::move(handler));
        handlerItem.timeout = timeout;
        std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > iter2 = this->m_routeHandlers.operator[](method).find(path);
        if (operator!=(iter2, this->m_routeHandlers.operator[](method).end())) {
            return false;
        }

        this->m_routeHandlers.operator[](method).emplace<std::pair<std::basic_string<char>, HandlerItem> >(std::pair<std::basic_string<char>, HandlerItem>(path, std::move(handlerItem)));
        return true;
    }

    inline bool onRoute(const std::basic_string<char>& path, Method method, void* param)
    {
        std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > > > > iter = this->m_routeHandlers.find(method);
        if (operator==(iter, this->m_routeHandlers.end())) {
            return false;
        }

        std::_Rb_tree_iterator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > iter2 = iter.operator->()->second.find(path);
        if (operator==(iter2, iter.operator->()->second.end())) {
            return false;
        }

        HandlerItem& handlerItem = iter2.operator->()->second;
        Request req = Request();
        Response resp = Response();
        return handlerItem.handler.operator()(req, resp);
    }


private:
    std::map<Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > >, std::less<Method>, std::allocator<std::pair<const Method, std::map<std::basic_string<char>, HandlerItem, std::less<std::basic_string<char> >, std::allocator<std::pair<const std::basic_string<char>, HandlerItem> > > > > > m_routeHandlers;
public:
    // inline ~HttpSessionManger() noexcept = default;
    // inline HttpSessionManger() noexcept = default;
};

class HttpServer
{
public:
    inline void init(const std::basic_string<char>& ip, short port)
    {
        this->m_spSessionManager.operator=(std::make_shared<HttpSessionManger>());
    }

    inline bool registerRouter(const std::basic_string<char>& path, Method method, std::function<bool(const Request&, Response&)>&& handler, int32_t timeout)
    {
        return static_cast<const std::__shared_ptr_access<HttpSessionManger, 2, false, false>&>(this->m_spSessionManager).operator->()->registerRouter(path, method, std::move(handler), timeout);
    }

    inline bool run(const std::basic_string<char>& path, Method method, void* param)
    {
        return static_cast<const std::__shared_ptr_access<HttpSessionManger, 2, false, false>&>(this->m_spSessionManager).operator->()->onRoute(path, method, param);
    }


private:
    std::shared_ptr<HttpSessionManger> m_spSessionManager;
public:
    // inline constexpr HttpServer() noexcept = default;
    // inline ~HttpServer() noexcept = default;
};

int main()
{
    HttpServer httpServer = HttpServer();
    httpServer.init(std::basic_string<char>("0.0.0.0", std::allocator<char>()), 8888);
    int32_t param1 = 123;
    std::basic_string<char> param2 = std::basic_string<char>("helloworld", std::allocator<char>());

    class __lambda_110_53
    {
    public:
        inline /*constexpr */ bool operator()(const Request& req, Response& resp) const
        {
            resp.data1 = param1;
            resp.data2.operator=(param2);
            return true;
        }

    private:
        int32_t& param1;
        std::basic_string<char>& param2;
    public:
        // inline /*constexpr */ __lambda_110_53(const __lambda_110_53 &) noexcept = default;
        // inline /*constexpr */ __lambda_110_53(__lambda_110_53 &&) noexcept = default;
        __lambda_110_53(int& _param1, std::basic_string<char>& _param2)
            : param1{ _param1 }
            , param2{ _param2 }
        {}

    };

    httpServer.registerRouter(std::basic_string<char>("/test", std::allocator<char>()), Method::Get, std::function<bool(const Request&, Response&)>(__lambda_110_53{ param1, param2 }), 5000);
    httpServer.run(std::basic_string<char>("/test", std::allocator<char>()), Method::Get, nullptr);
    return 0;
}

我也用红色字体标记出来，与上一个版本的不同，不过有一些不同的地方，在上述代码中看不出来，如对 std::map::emplace() 方法的调用，不知道读者注意到没有，在这个版本中，我能用引用的地方就用引用，能用右值的地方都使用 std::move 转换成了右值，可以 emplace 绝不 insert。因此，编译器也为我们的 HandlerItem 结构体生成了移动构造函数（注意与拷贝构造函数区分），虽然这里的例子，对于这个结构体拷贝构造和移动构造性能上没啥差别。

本文到这里基本上就要结束了，有读者会问，你贴了这么多代码到底想说啥？我想说：

在 C++11 标准之前，基本上所有的拷贝动作都是编译器通过拷贝构造函数（也包括赋值拷贝）悄悄完成的，但是在 C++11 及以后，有了明确的右值和右值引用的概念之后，复用右值成了可能，所以对于编译器来说，拷贝对象总是尽量先使用移动拷贝（包括移动构造和赋值移动），所以你应该尽量利用编译器这种行为，尽量复用右值和移动构造，显式地提供移动构造函数和移动赋值函数，把不用的对象重复利用起来，以提高代码效率。举个简单的例子： #include <string> int main() { //在C++11之前，如果str1单纯只是为了用来构造str2，没法废物利用 std::string str1("hello"); std::string str2(str1); //C++11标准之后，如果str3单纯只是为了用来构造str4，我们可以将 //str3转换为右值，让str4复用str3的资源，一旦复用之后，str3就被 //“榨干”了，不信你输出str3复用前后的值试试。 std::string str3("world"); std::string str4(std::move(str3)); return 0; }
由于 C++11 标准及之后，编译器在对象的构造上偷偷做了更多的事情，你应该搞清楚这些背后的动作，用以优化你的代码，减少不必要的操作；
编译器提供了更多的语法糖，例如上文的 lamda 表达式、for-each 语法、C++17 的结构化绑定等等，导致编译器在你的程序背后偷偷做了更多的事情，所以作为一名好的 C++ 程序员，你应该搞清楚这些语法糖背后到底对应什么样的代码，这样在排查内存问题、优化代码执行效率方面才能更加有的放矢。
C++11 基于右值的技术体系，你一定要深刻理解，并多加运用，它是 C++11 标准提供给程序员的福利，而不是负债！

有读者在前面一篇文章《女朋友：一个 bug 查了两天，再解决不了，和你的代码过去吧！》中，有这样的代码：

void onAccept(int fd) {
    auto pConnection = std::make_unique<HttpConnection>(fd);
    //使用std::move将左值pConnection变成右值
    auto pSession = std::make_shared<HttpSession>(std::move(pConnection), this);
    auto clientID = pSession->getClientID();
    {
        std::lock_guard<std::mutex> scopedLock(m_sessionMutex);
        m_mapSessions.emplace(clientID, pSession);
    }
}

HttpSession 的构造函数是这样的：

class HttpSession {
public:
    HttpSession(std::unique_ptr<HttpConnection>&& pConnection, HttpSessionManager* pSessionManager) : m_spConnection (std::move(pConnection)) {
        m_clientID = pConnection->getIP() + ":" + pConnection->getPort() + ":" + generateUniqueID();
    }

private:
    std::unique_ptr<HttpConnection>     m_spConnection;
};

有读者留言：传进来的参数 pConnection 已经在 onAccept 函数中使用 std::move 变成右值了，为啥在 HttpSession 的构造函数中又要使用 std::move 再转一次呢？

答案是，pConnection 传到 HttpSession 构造函数中时又变成了左值，我们创建 m_spConnection 对象时想使用移动构造函数（为了复用），所以需要再一次把 pConnection 使用 std::move 转换成右值。注意，右值引用不是右值，是左值。函数的实参是右值，函数实际执行时的形参不是右值，而是左值，尽管形参的函数参数的签名看起来像右值：

class HttpSession {
public:
    //pConnection的类型看起来像右值
    HttpSession(std::unique_ptr<HttpConnection>&& pConnection, ...) : m_spConnection (std::move(pConnection)) {
        ...
    }
};

用一张图来梳理下这里的关系：