C++11 - 右值引用
知识的学习在于点滴记录，坚持不懈；知识的学习要有深度和广度，不能只流于表面，坐井观天；知识要善于总结，不仅能够理解，更知道如何表达！...
知识的学习在于点滴记录，坚持不懈；知识的学习要有深度和广度，不能只流于表面，坐井观天；知识要善于总结，不仅能够理解，更知道如何表达！
左值引用和右值引用
在说右值引用之前，先回忆一下C++传统的左值引用，左值引用示例代码：
int main()
{
int a = 10;
int &b = a; // 定义一个左值引用变量
b = 20; // 通过左值引用修改引用内存的值
return 0;
}
上面这段代码的汇编指令如下：
int a = 10;
// 这条mov指令把10放到a的内存中
00354218 mov dword ptr [a],0Ah
int &b = a;
/* 下面的lea指令把a的地址放入eax寄存器
mov指令把eax的内容放入b内存里面
*/
0035421F lea eax,[a]
00354222 mov dword ptr [b],eax
b = 20;
/* 下面的mov指令把b内存的值放入eax寄存器（就是a的地址）
mov指令再把20放入eax记录的地址的内存里面（就是把20赋值给a）
*/
00354225 mov eax,dword ptr [b]
00354228 mov dword ptr [eax],14h
从上面的指令可以看出，定义一个左值引用在汇编指令上和定义一个指针是没有任何区别的，定义一个引用变量int &b=a，是必须初始化的，因为指令上需要把右边a的地址放入一个b的内存里面（相当于定义了一个指针的内存），当给引用变量b赋值时，指令从b里面取出a的地址，并把20写入该地址，也就是a的内存中（相当于给指针解引用赋值），所以也说，使用引用变量时，汇编指令会做一个指针自动解引用的操作。
所以在汇编指令层面，引用和指针的操作没有任何区别！
再思考下面的代码：
int &b = 20;
上面的代码是无法编译通过的，现在你应该知道原因，因为定义引用变量，需要取右边20的地址进行存储，但是20是立即数字，没有在内存上存储，因此是无法取地址的，但是解决这个问题还是有办法的，如下：
const int &b = 20;
用常引用可以引用20这个常量数字，难道此时20就能取地址了吗？当然不是，因为现在在内存上产生了一个临时量保存了20，b现在引用的是这个临时量，相当于下面的操作：
/*
这里temp是在内存上产生的临时量
const int temp = 20;
const int &b = temp;
*/
const int &b = 20;
如果你还不明白，可以通过查看汇编指令进行确认，如下：
const int &b = 20;
010517C8 mov dword ptr [ebp-14h],14h 《= ebp-14h就是内存栈上产生的临时量的内存地址
010517CF lea eax,[ebp-14h] 《= 取临时量的内存地址放入寄存器eax
010517D2 mov dword ptr [b],eax 《= 再把eax寄存器的值（放的是临时量地址）存入b中
好了，到现在我们可以得到这样一个结论，上面的C++引用就是我们常用的左值引用，左值引用要求右边的值必须能够取地址，如果无法取地址，可以用常引用，如const int &b = 20;但是这样一来，我们只能通过b来读取数据，无法修改数据，因为b被const修饰成常量引用了，怎么办？
解决办法当然就是使用右值引用了，先看下面的这段代码分析：
int &&b = 20; // 通过指令可以看到，原来const int &b=20和int &&b=20一模一样！！！
这里mov指令相当于是产生了临时量，起始地址ebp-14h
00CA18B8 mov dword ptr [ebp-14h],14h
把临时量的地址放入eax寄存器当中
00CA18BF lea eax,[ebp-14h]
再把eax的值（临时量的地址）放入b内存中（一个指针大小的内存）
00CA18C2 mov dword ptr [b],eax
b = 40;
00CA18C5 mov eax,dword ptr [b]
00CA18C8 mov dword ptr [eax],28h
看上面代码，定义一个右值引用变量是这样的int &&b=20，从汇编指令来看，依然要产生临时量，然后保存临时量的地址，也就是说const int &b=20和int &&b=20在底层指令上是一模一样的，没有任何区别，不同的是，通过右值引用变量，可以进行读操作，也可以进行写操作。
所以，可以给一个这样的结论，有地址的用左值引用，没有地址的用右值引用；有变量名字的用左值引用，没有变量名字的（比如临时量没有名字）用右值引用。
从C++98和C++0x标准一路走来，一直在用左值引用解决问题；那么从C++11开始支持右值引用后，除了上面的好处，在实际的面向对象编程上，对我们还有什么帮助呢？请继续看下面的内容！
面向对象的效率问题
先考虑下面的一段面向对象的代码：
class Stack
{
public:
// size表示栈初始的内存大小
Stack(int size = 1000)
:msize(size), mtop(0)
{
cout << "Stack(int)" << endl;
mpstack = new int[size];
}
// 栈的析构函数
~Stack()
{
cout << "~Stack()" << endl;
delete[]mpstack;
mpstack = nullptr;
}
// 栈的拷贝构造函数
Stack(const Stack &src)
:msize(src.msize), mtop(src.mtop)
{
cout << "Stack(const Stack&)" << endl;
mpstack = new int[src.msize];
memcpy(mpstack, src.mpstack, sizeof(int)*mtop);
}
// 栈的赋值重载函数
Stack& operator=(const Stack &src)
{
cout << "operator=" << endl;
if (this == &src)
return *this;
delete[]mpstack;
msize = src.msize;
mtop = src.mtop;
mpstack = new int[src.msize];
memcpy(mpstack, src.mpstack, sizeof(int)*mtop);
return *this;
}
// 返回栈的长度
int getSize()const { return msize; }
private:
int *mpstack;
int mtop;
int msize;
};
Stack GetStack(Stack &stack)
{
// 这里构造新的局部对象tmp
Stack tmp(stack.getSize());
/*
因为tmp是函数的局部对象，不能出函数作用域，
所以这里tmp需要拷贝构造生成在main函数栈帧上
的临时对象，因此这里会调用拷贝构造函数，完成
后进行tmp局部对象的析构操作
*/
return tmp;
}
int main()
{
Stack s;
/*
GetStack返回的临时对象给s赋值，该语句结束，临时对象
析构，所以此处调用operator=赋值重载函数，然后调用
析构函数
*/
s = GetStack(s);
return 0;
}
上面的代码运行结果如下所示：
Stack(int) =》 对应Stack s;
Stack(int) =》 对应 Stack tmp(stack.getSize());
Stack(const Stack&) =》 对应return tmp;
~Stack() =》 对应tmp的析构
operator= =》 s = GetStack(s);
~Stack() =》 对应s = GetStack(s);语句完成，临时对象的析构
~Stack() =》 对应main函数中s局部对象的析构
上面的这段代码是我们编写C++类经常会遇到的一类问题，Stack对象由于成员变量是一个指针int *mpstack，构造时指向了堆内存，因此这样的对象做默认的浅拷贝和赋值操作是有问题的，导致两个对象的成员指针指向同一个资源，析构时同一个资源被delete两次，代码运行崩溃，因此我们需要给Stack提供自定义的拷贝构造函数和operator=赋值重载函数，如上面的代码所示。
上面的代码虽然解决了对象的浅拷贝问题，但是效率却非常的低下，主要在这两句代码上：
- return tmp;
这句代码中，tmp是函数的局部对象，因此不能出函数作用域，所以这里由tmp拷贝构造生成main函数栈帧上的临时对象。请仔细查看上面的拷贝构造函数的实现：
// 栈的拷贝构造函数
Stack(const Stack &src)
:msize(src.msize), mtop(src.mtop)
{
cout << "Stack(const Stack&)" << endl;
mpstack = new int[src.msize];
memcpy(mpstack, src.mpstack, sizeof(int)*mtop);
}
上面代码中，src引用的是tmp对象，this指针指向的是main函数栈帧上的临时对象，它的实现是根据tmp临时对象的内存大小给临时对象底层开辟内存，然后把tmp的数据再通过memcpy拷贝过来，关键是tmp马上就析构了！！！
上面为什么不能把tmp持有的内存资源直接给临时对象呢？非得给临时对象重新开辟内存拷贝一份数据，然后tmp的资源又没有什么用处，而且马上就要析构，这样只能造成代码运行效率低下。
- s = GetStack(s);
这里先通过临时量对象给s赋值，然后再析构临时对象，看看上面的operator=赋值函数的代码实现，先释放s占用的内存，又根据临时量的大小给s重新分配内存，拷贝数据：
// 栈的赋值重载函数
Stack& operator=(const Stack &src)
{
cout << "operator=" << endl;
if (this == &src)
return *this;
delete[]mpstack;
msize = src.msize;
mtop = src.mtop;
mpstack = new int[src.msize];
memcpy(mpstack, src.mpstack, sizeof(int)*mtop);
return *this;
}
同样的问题，临时量对象给s赋值完成后，马上就析构了，为什么不能把临时对象的资源直接给s呢？如果这样做的话，效率就很高了，省了内存的开辟和大量数据的拷贝时间了。
上面提到的两个问题，在C++11中的解决方式是提供带右值引用参数的拷贝构造函数和operator=赋值重载函数。
右值引用的拷贝构造和operator=赋值函数
给上面的Stack类添加带右值引用参数的拷贝构造函数和operator=赋值重载函数，新添加代码如下：
// 带右值引用参数的拷贝构造函数
Stack(Stack &&src)
:msize(src.msize), mtop(src.mtop)
{
cout << "Stack(Stack&&)" << endl;
/*此处没有重新开辟内存拷贝数据，把src的资源直接给当前对象，再把src置空*/
mpstack = src.mpstack;
src.mpstack = nullptr;
}
// 带右值引用参数的赋值重载函数
Stack& operator=(Stack &&src)
{
cout << "operator=(Stack&&)" << endl;
if(this == &src)
return *this;
delete[]mpstack;
msize = src.msize;
mtop = src.mtop;
/*此处没有重新开辟内存拷贝数据，把src的资源直接给当前对象，再把src置空*/
mpstack = src.mpstack;
src.mpstack = nullptr;
return *this;
}
重新运行所有代码，打印如下：
Stack(int)
Stack(int)
Stack(Stack&&) =》对应return tmp; 自动调用带右值引用参数版本的拷贝构造
~Stack()
operator=(Stack&&) =》 s = GetStack(s); 自动调用带右值引用参数的赋值重载函数
~Stack()
~Stack()
从上面的打印可以清晰的看到，上面两处的拷贝构造函数和赋值重载函数的调用，自动使用了带右值引用参数的版本，效率大大提升，因为没有涉及任何的内存开辟和数据拷贝。因为临时对象马上就要析构了，直接把临时对象持有的资源拿过来就行了。
所以，临时量都会自动匹配右值引用版本的成员方法，旨在提高内存资源使用效率。带右值引用参数的拷贝构造和赋值重载函数，又叫移动构造函数和移动赋值函数，这里的移动指的是把临时量的资源移动给了当前对象，临时对象就不持有资源，为nullptr了，实际上没有进行任何的数据移动，没发生任何的内存开辟和数据拷贝。
一道笔试题
2018年校招中遇见过这样一道笔试题，如下：
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
class A
{
public:
A(int data=10):ptr(new int(data)) {}
~A() { delete ptr; ptr = nullptr; }
A(const A &src)
{
cout << "A(const A&)" << endl;
ptr = new int(*src.ptr);
}
A(A &&src)
{
cout << "A(A&&)" << endl;
ptr = src.ptr;
src.ptr = nullptr;
}
private:
int *ptr;
};
int main()
{
vector<A> vec;
vec.reserve(2);
A a;
vec.push_back(a); // 调用哪个构造函数？
vec.push_back(A(20)); // 调用哪个构造函数？
return 0;
}
很明显，vec.push_back(a)调用的是左值引用参数的拷贝构造函数。vec.push_back(A(20))实参传入的是临时量对象，调用的是右值引用参数的拷贝构造函数，效率较高。上面程序打印如下：
A(const A&)
A(A&&)
函数接口返回容器
以上面笔试题类A的代码举例如下：
vector<A> getVector()
{
vector<A> vec;
vec.reserve(3);
vec.push_back(A(20));
vec.push_back(A(30));
vec.push_back(A(40));
cout << "————————" << endl;
/*
这里返回vec时，会调用vector容器的带右值引用参数的拷贝构造函数，
类似vector(vector &&src)，直接把这里vec的资源移动给main函数
中的v，效率很高，也就是说函数在返回容器的过程中，没有做任何的内存和
数据开销
*/
return vec;
}
int main()
{
vector<A> v = getVector();
return 0;
}
代码打印如下：
A(A&&)
A(A&&)
A(A&&)
————————
可以看到，vector< A > v = getVector()没有做任何的容器数据拷贝，调用带右值引用参数的成员方法，大大提高了对象的使用效率。
引用折叠
先看下面的一段代码解释：
int main()
{
int a = 10;
int &b = a;
//int &&c = a; // 错误，无法将左值a绑定到右值引用c
//int &&d = b; // 错误，无法将左值b绑定到右值引用d
int &&e = 20; // 正确，20是一个右值(没地址没名字)，可以绑定到右值引用e上
//int &&f = e; // 错误，无法将左值e绑定到右值引用f，因为e有名字，有地址，本身也是左值
int &g = e; // 正确，e本身有名字，有地址，是一个左值，可以被g引用
return 0;
}
从上面这段代码大家可以对左值和右值有更清楚的了解，尤其是右值引用变量e本身是一个左值，这个需要做正确的理解。
引用折叠的概念主要用在函数模板类型参数的推导中，如下面的函数模板：
template<typename T>
void func(T&& val)
{
cout << "01 val:" << val << endl;
T tmp = val;
tmp++;
cout << "02 val:" << val << " tmp:" << tmp << endl;
}
int main()
{
int a = 10;
int &b = a;
int &&c = 10;
cout << "func(10):" << endl;
func(10);// 10是右值，引用类型是int&&，T&&推导过程是int&&+&&折叠成int&&，所以T是int，下同
cout << "func(a):" << endl;
func(a);// a是左值，不可能用右值引用来引用，所以func推导T为int&，那么T&&->int&+&&折叠成int&
cout << "func(std::move(a)):" << endl;
func(std::move(a)); // std::move(a)是把a转成右值类型，右值引用类型是int&&，所以func推导T为int
cout << "func(b):" << endl;
func(b);// b是左值，不可能用右值引用来引用，所以func推导T为int&，那么T&&->int&+&&折叠成int&
cout << "func(c):" << endl;
func(c);// c是左值，不可能用右值引用来引用，所以func推导T为int&，那么T&&->int&+&&折叠成int&
return 0;
}
代码运行打印如下：
func(10): //T tmp = val; T是int
01 val:10
02 val:10 tmp:11
func(a): //T tmp = val; T是int&
01 val:10
02 val:11 tmp:11
func(std::move(a)): //T tmp = val; T是int
01 val:11
02 val:11 tmp:12
func(b): //T tmp = val; T是int&
01 val:11
02 val:12 tmp:12
func©: //T tmp = val; T是int&
01 val:10
02 val:11 tmp:11
从上面的代码可以看出，func这个函数模板的T类型有时候推导出来是int类型，有时候是int&类型，这个通过上面的代码测试，希望大家能够掌握。再说引用折叠，就是int && + &&折叠成int&&，除此之外，都折叠成int&，如int& + &&折叠成int&，知道这个就可以，具体的应用再看下面对move和forward函数的讲解。
std::move移动语义
看如下代码示例：
class A
{
public:
A(int data=10):ptr(new int(data)) {}
~A() { delete ptr; ptr = nullptr; }
A(const A &src)
{
cout << "A(const A&)" << endl;
ptr = new int(*src.ptr);
}
A(A &&src)
{
cout << "A(A&&)" << endl;
ptr = src.ptr;
src.ptr = nullptr;
}
private:
int *ptr;
};
int main()
{
vector<A> vec;
vec.reserve(10);
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
A a(i);
/*
这里a是一个左值，因此vec.push_back(a)会调用左值的
拷贝构造函数，用a拷贝构造vector底层数组中的对象
*/
vec.push_back(a);
}
return 0;
}
代码运行打印如下：
A(const A&)
A(const A&)
A(const A&)
A(const A&)
A(const A&)
A(const A&)
A(const A&)
A(const A&)
A(const A&)
A(const A&)
调用了10次左值引用的拷贝构造函数，看上面的代码，A a(i)在for循环中其实算是局部对象，在vec.push_back(a)完成后，a对象也就该析构了，所以在vec.push_back(a)时，应该把对象a的资源直接移动给vector容器底层的对象，也就是调用右值引用参数的拷贝构造函数，怎么做到呢？这时候就用到了带移动语义的std::move函数，main函数代码修改如下:
int main()
{
vector<A> vec;
vec.reserve(10);
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
A a(i);
/*
由于a马上就会销毁，因此这里应该用右值引用参数
的拷贝构造函数，效率会更高
*/
vec.push_back(std::move(a));
}
return 0;
}
代码运行打印如下：
A(A&&)
A(A&&)
A(A&&)
A(A&&)
A(A&&)
A(A&&)
A(A&&)
A(A&&)
A(A&&)
A(A&&)
此时在vec.push_back(std::move(a))这段代码中会调用到a对象的右值引用参数的拷贝构造函数。可以看move函数的源码，其实move就是返回传入的实参的右值引用类型，做了一个类型强转，move代码：
template<class _Ty>
_NODISCARD constexpr remove_reference_t<_Ty>&&
move(_Ty&& _Arg) noexcept
{ // forward _Arg as movable
return (static_cast<remove_reference_t<_Ty>&&>(_Arg));
}
std::forward完美转发
先给一个代码示例，实现一个简单的vector，来描述forward的应用场景，示例代码如下：
// 容器里面元素的类型
class A
{
public:
A(){}
// 带左值引用参数的赋值函数
A& operator=(const A &src)
{
cout << "operator=" << endl;
return *this;
}
// 带右值引用参数的赋值函数
A& operator=(A &&src)
{
cout << "operator=(A&&)" << endl;
return *this;
}
};
// 容器的类型
template<typename _Ty>
class Vector
{
public:
// 引用左值的push_back函数
void push_back(const _Ty &val)
{
addBack(val);
}
// 引用右值的push_back函数
void push_back(_Ty &&val)
{
// 这里传递val时，要用move转换成右值引用类型，
// 因为val本身是左值，有名字有地址，见前面引用折叠部分的说明
addBack(std::move(val));
}
private:
enum { VEC_SIZE = 10 };
_Ty mvec[VEC_SIZE];
int mcur;
template<typename _Ty>
void addBack(_Ty &&val)
{
/*
这里val本身永远是左值，所以不可能调用
容器内部对象的右值引用参数的operator=赋值函数
*/
mvec[mcur++] = val;
}
};
int main()
{
Vector<A> vec;
A a;
vec.push_back(a); // 调用A的左值引用的赋值函数
vec.push_back(A()); // 理应调用A的右值引用参数的赋值函数，却调用了左值引用的赋值函数
return 0;
}
代码运行打印如下：
operator=
operator=
vec.push_back(A())这句代码传入的是临时对象，最终却没有调用A对象的右值引用参数的赋值函数operator=，主要原因就是在Vector中addBack函数里面，val永远被当作左值了，无法保持它接收的实参的引用类型，是左引用还是右引用，此时std::forward就要起作用了，它称作“类型完美转发”，也就是说可以保持实参数据的左引用或者右引用类型，上面的addBack函数修改如下：
template<typename _Ty>
void addBack(_Ty &&val)
{
/*
这里使用std::forward，可以获取val引用的实参的引用类型，
是左引用，还是右引用，原理就是根据“引用折叠规则”
int&+&&->int& int&&+&&->int&&
*/
mvec[mcur++] = std::forward<_Ty>(val);
}
修改完addBack函数，重新运行上面代码，打印如下：
operator=
operator=(A&&)
完美！vec.push_back(A())这句代码，最终调用了A对象的右值引用参数的赋值函数operator=，符合预期。因为在addBack中使用了std::forward类型完美转发机制，它的源码实现如下：
template<class _Ty>
_NODISCARD constexpr _Ty&& forward(remove_reference_t<_Ty>& _Arg) noexcept
{ // forward an lvalue as either an lvalue or an rvalue
return (static_cast<_Ty&&>(_Arg));
}
template<class _Ty>
_NODISCARD constexpr _Ty&& forward(remove_reference_t<_Ty>&& _Arg) noexcept
{ // forward an rvalue as an rvalue
static_assert(!is_lvalue_reference_v<_Ty>, "bad forward call");
return (static_cast<_Ty&&>(_Arg));
}
上面是C++库里面提供的两个forward重载函数，分别接收左值和右值引用类型，进行一个类型强转，(static_cast<_Ty&&>(_Arg))， 如果实参类型是int& + && -> int&就保持了实参的左值引用类型，如果实参类型是int&& + && -> int&&就保持了实参的右值引用类型。
【总结】：std::move是获取实参的右值引用类型；std::forward是在代码实现过程中，保持实参的原有的引用类型（左引用或者右引用类型）。
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