如何利用 Move Semantics 在 C++11 中获得更好的性能？

Question

经过多次尝试，我仍然不明白如何正确利用移动语义，以便不复制操作结果而只使用指针或 std::move 来“交换”指向的数据.这对于加速更复杂的函数（例如 f(g(),h(i(l,m),n(),p(q())) 非常有用 目标是：

t3={2,4,6}; 
t1={}; // empty

执行下面的代码时输出是：

t3={2,4,6};
t1={1,2,3};

代码：

namespace MTensor {

 typedef std::vector<double> Tensor1DType;

 class Tensor1D {
  private:
    //std::shared_ptr<Tensor1DType> data = std::make_shared<Tensor1DType>();
    Tensor1DType * data = new Tensor1DType;
  public:
    Tensor1D() {
  };
  Tensor1D(const Tensor1D& other) {
    for(int i=0;i<other.data->size();i++) {
      data->push_back(other.data->at(i));
    }
  }
  Tensor1D(Tensor1D&& other) : data(std::move(other.data)) {
    other.data = nullptr;
  }
  ~Tensor1D() {
    delete data;
  };
  int size() {
    return data->size();
  };
  void insert(double value) {
    data->push_back(value);
  }
  void insert(const std::initializer_list<double>&  valuesList) {
    for(auto value : valuesList) {
      data->push_back(value);
    }
  }
  double operator() (int i) {
    if(i>data->size()) {
      std::cout << "index must be within vector dimension" << std::endl;
      exit(1);
    }
    return data->at(i);
  }
  Tensor1D& operator=(Tensor1D&& other)  {
    if (this == &other){
      return *this;
    }
    data = other.data;
    other.data = nullptr;
    return *this;
  }
  void printTensor(Tensor1DType info) {
    for(int i=0;i<info.size();i++) {
      std::cout << info.at(i) << "," << std::endl;
    }
  }
  void printTensor() {
    for(int i=0;i<data->size();i++) {
      std::cout << data->at(i) << "," << std::endl;
    }
  }
};
} // end of namespace MTensor

在 main.cpp 文件中：

MTensor::Tensor1D scalarProduct1D(MTensor::Tensor1D t1, double scalar) {
  MTensor::Tensor1D tensor;
    for(int i=0;i<t1.size();++i) {
      tensor.insert(t1(i) * scalar);
    }
  //return std::move(tensor);
  return tensor;
}

int main() {
  MTensor::Tensor1D t1;
  t1.insert({1,2,3});
  std::cout << "t1:" << std::endl;
  t1.printTensor();
  MTensor::Tensor1D t3(scalarProduct1D(t1,2));
  std::cout << "t3:" << std::endl;
  t3.printTensor();
  std::cout << "t1:" << std::endl;
  t1.printTensor();
  return 0;
}

Answer 1

您使用new 是一个危险信号，尤其是在std::vector 上。

std::vectors 原生支持移动语义。它们是一个内存管理类。内存管理类的手动内存管理是一个很大的危险信号。

遵循 0 的规则。=default 您的移动构造函数、移动赋值、复制构造函数、析构函数和复制赋值。从向量中删除*。不要分配它。将data-> 替换为data.

你应该做的第二件事是改变：

MTensor::Tensor1D scalarProduct1D(MTensor::Tensor1D t1, double scalar) {

就目前而言，您按值获取第一个参数。太好了。

但是一旦你看重它，你就应该重复使用它！返回t1，而不是创建一个新的临时并返回它。

为了提高效率，您需要有一种方法来就地修改张量。

void set(int i, double v) {
  if(i>data->size()) {
    std::cout << "index must be within vector dimension" << std::endl;
    exit(1);
  }
  data.at(i) = v;
}

这给了我们：

MTensor::Tensor1D scalarProduct1D(MTensor::Tensor1D t1, double scalar) {
  for(int i=0;i<t1.size();++i) {
    ts.set(i, t1(i) * scalar);
  }
  return t1; // implicitly moved
}

我们现在越来越近了。

你要做的最后一件事是：

MTensor::Tensor1D t3(scalarProduct1D(std::move(t1),2));

将t1 移动到scalarProduct1D。

您的代码的最后一个问题是您使用at 并且检查边界。 at 的目的是检查边界。如果您使用at，请不要检查边界（使用 try/catch 进行检查）。如果您检查边界，请使用[]。

最终结果：

typedef std::vector<double> Tensor1DType;

class Tensor1D {
private:
  //std::shared_ptr<Tensor1DType> data = std::make_shared<Tensor1DType>();
  Tensor1DType data;
public:
  Tensor1D() {};
  Tensor1D(const Tensor1D& other)=default;
  Tensor1D(Tensor1D&& other)=default;
  ~Tensor1D()=default;
  Tensor1D& operator=(Tensor1D&& other)=default; 
  Tensor1D& operator=(Tensor1D const& other)=default; 
  Tensor1D(const std::initializer_list<double>&  valuesList) {
    insert(valuesList);
  }
  int size() const {
    return data.size();
  };
  void insert(double value) {
    data.push_back(value);
  }
  void insert(const std::initializer_list<double>&  valuesList) {
    data.insert( data.end(), valuesList.begin(), valuesList.end() );
  }
  double operator() (int i) const {
    if(i>data.size()) {
      std::cout << "index must be within vector dimension" << std::endl;
      exit(1);
    }
    return data[i];
  }
  void set(int i, double v) {
    if(i>data->size()) {
      std::cout << "index must be within vector dimension" << std::endl;
      exit(1);
    }
    data.at(i) = v;
  }
  static void printTensor(Tensor1DType const& info) {
    for(double e : info) {
      std::cout << e << "," << std::endl;
    }
  }
  void printTensor() const {
    printTensor(data);
  }
};

MTensor::Tensor1D scalarProduct1D(MTensor::Tensor1D t1, double scalar) {
  for(int i=0;i<t1.size();++i) {
    t1.set(i, t1(i) * scalar);
  }
  return t1;
}



int main() {
  MTensor::Tensor1D t1 = {1,2,3};
  std::cout << "t1:" << std::endl;
  t1.printTensor();
  MTensor::Tensor1D t3(scalarProduct1D(std::move(t1),2));
  std::cout << "t3:" << std::endl;
  t3.printTensor();
  std::cout << "t1:" << std::endl;
  t1.printTensor();
  return 0;
}

还有一些其他的小修复（例如使用 range-for、DRY 等）。

Answer 2

调用scalarProduct1D时需要移动t1，否则会复制：

MTensor::Tensor1D t3(scalarProduct1D(std::move(t1),2));

您需要显式使用std::move，因为t1 是一个左值 表达式。

请注意，如果您希望访问已移动的对象成为有效操作，则必须修复打印功能以避免取消引用 nullptr。相反，我建议避免对已移动对象进行有效的方法调用，因为它需要额外的检查并且不遵循 “此对象已被移动，现在它处于无效状态”的想法。。

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