std::move_if_noexcept
Alex 2024 年 8 月 15 日
（感谢读者 Koe 提供初稿）
在 22.4《std::move》中，我们介绍了 std::move，它把左值实参强制转换为右值，从而触发移动语义。在 27.9《异常说明与 noexcept》中，我们又讨论了 noexcept 说明符与运算符。本节将综合这两个概念展开说明。
我们还曾提到“强异常保证”（strong exception guarantee）：若函数被异常中断，既不会发生内存泄漏，也不会改变程序状态。特别地，所有构造函数都应满足该保证，以免对象构造失败时留下半成品对象。
移动构造函数的异常困境
考虑复制对象的情形：若复制失败（如内存耗尽），源对象不会受损，因为生成副本无需修改源对象。我们可以丢弃失败的副本，程序状态保持不变，强异常保证得以满足。
再考虑移动对象的情形：移动操作把资源所有权从源对象转移到目标对象。若移动过程中抛出异常，且异常发生在所有权已转移之后，源对象就会被置于已修改状态。若源对象是临时对象，随后即被销毁，这并无大碍；但若源对象是持久对象，我们实际上已损坏它。为满足强异常保证，需要把资源迁回源对象，然而若首次移动已失败，迁回操作亦未必成功。
如何使移动构造函数满足强异常保证？仅在移动构造函数体内避免抛异常是不够的，因为移动构造函数可能调用其他潜在的抛异常函数。以 std::pair 的移动构造函数为例，它必须分别移动源 pair 的两个子对象：
// std::pair 移动构造函数示意
template <typename T1, typename T2>
pair<T1, T2>::pair(pair&& old) noexcept
: first(std::move(old.first)),
second(std::move(old.second))
{}
下面用两个类 MoveClass 和 CopyClass 组合成 std::pair，来演示移动构造函数的异常保证问题：
#include <iostream>
#include <utility> // std::pair, std::make_pair, std::move, std::move_if_noexcept
#include <stdexcept> // std::runtime_error
class MoveClass
{
private:
int* m_resource{};
public:
MoveClass() = default;
explicit MoveClass(int resource)
: m_resource{ new int{ resource } }
{}
// 复制构造：深拷贝
MoveClass(const MoveClass& that)
{
if (that.m_resource)
m_resource = new int{ *that.m_resource };
}
// 移动构造：noexcept
MoveClass(MoveClass&& that) noexcept
: m_resource{ that.m_resource }
{
that.m_resource = nullptr;
}
~MoveClass()
{
std::cout << "destroying " << *this << '\n';
delete m_resource;
}
friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const MoveClass& moveClass)
{
out << "MoveClass(";
if (moveClass.m_resource == nullptr)
out << "empty";
else
out << *moveClass.m_resource;
out << ')';
return out;
}
};
class CopyClass
{
public:
bool m_throw{};
CopyClass() = default;
// 复制构造：当 m_throw 为 true 时抛异常
CopyClass(const CopyClass& that)
: m_throw{ that.m_throw }
{
if (m_throw)
throw std::runtime_error{ "abort!" };
}
};
int main()
{
// 正常构造 pair
std::pair my_pair{ MoveClass{ 13 }, CopyClass{} };
std::cout << "my_pair.first: " << my_pair.first << '\n';
try
{
my_pair.second.m_throw = true; // 触发复制构造函数异常
// 下面一行将抛异常
std::pair moved_pair{ std::move(my_pair) }; // 稍后注释掉此行
// std::pair moved_pair{ std::move_if_noexcept(my_pair) }; // 稍后取消注释
std::cout << "moved pair exists\n"; // 不会打印
}
catch (const std::exception& ex)
{
std::cerr << "Error found: " << ex.what() << '\n';
}
std::cout << "my_pair.first: " << my_pair.first << '\n';
return 0;
}
程序输出：
destroying MoveClass(empty)
my_pair.first: MoveClass(13)
destroying MoveClass(13)
Error found: abort!
my_pair.first: MoveClass(empty)
destroying MoveClass(empty)
可见：
- 第一行：用于初始化
my_pair的临时MoveClass立即被销毁，值为 empty，表明其资源已移至my_pair.first。 - 第三行：构造
moved_pair时，CopyClass复制构造抛异常，moved_pair构造中断，已构造成员被销毁，因此打印 destroying MoveClass(13)。 - 最后再次打印
my_pair.first已为空，说明资源已被移走，对象被永久损坏，强异常保证未满足。
std::move_if_noexcept 的救场
若 std::pair 选择复制而非移动，即可避免上述问题——构造失败时源对象保持不变。但若对所有对象一律复制，将牺牲性能。理想方案是：当且仅当移动操作安全（即不会抛异常）时才移动，否则复制。
C++ 提供了两种机制组合实现这一目标：
- 由于 noexcept 函数满足不抛/不失效保证，因此
noexcept移动构造函数必然成功。 - 标准库算法可使用
std::move_if_noexcept在移动和复制之间抉择。
std::move_if_noexcept 与 std::move 用法相同，但行为不同：
- 若编译器能确定对象移动构造不会抛异常（或对象仅有移动构造而无复制构造），则
std::move_if_noexcept与std::move行为一致，返回右值。 - 否则返回左值引用，触发复制构造。
关键洞察std::move_if_noexcept 在对象拥有 noexcept 移动构造函数时返回可移动右值，否则返回可复制左值。结合 noexcept 说明符，我们仅在满足强异常保证时使用移动语义，否则使用复制语义。
将上例改为：
// std::pair moved_pair{ std::move(my_pair) }; // 注释掉
std::pair moved_pair{ std::move_if_noexcept(my_pair) }; // 取消注释
再次运行输出：
destroying MoveClass(empty)
my_pair.first: MoveClass(13)
destroying MoveClass(13)
Error found: abort!
my_pair.first: MoveClass(13)
destroying MoveClass(13)
可见异常抛出后 my_pair.first 仍为 13。
由于 std::pair 的移动构造函数并非 noexcept（截至 C++20），std::move_if_noexcept 返回 my_pair 的左值引用，于是 moved_pair 通过复制构造函数创建。复制构造可安全抛异常，因为它不会修改源对象。
标准库广泛使用 std::move_if_noexcept 以优化 noexcept 函数。例如，std::vector::resize 仅在元素类型拥有 noexcept 移动构造函数时使用移动语义，否则使用复制语义，从而在无异常风险时提高性能。
警告
若某类型同时具备
- 可能抛异常的移动语义，且
- 删除的复制语义（复制构造/复制赋值不可用），
则std::move_if_noexcept会放弃强保证，选择移动语义。标准库容器普遍如此处理，因为它们大量使用std::move_if_noexcept。
