右值引用和移动语义
介绍了左值和右值的概念,右值引用,完美转发等知识
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左值引用和右值引用
传统的C++语法中就有引用的语法，而C++11中新增了的右值引用语法特性，所以从现在开始我们之前学习的引用就叫做左值引用。无论左值引用还是右值引用，都是给对象取别名。
什么是左值？
左值是一个表示数据的表达式(如变量名或解引用的指针)，通常是变量、数组元素、对象的成员等，我们可以获取它的地址+可以对它赋值，左值可以出现赋值符号的左边，右值不能出现在赋值符号左边。定义时const修饰符后的左值，不能给他赋值，但是可以取它的地址。左值引用就是给左值的引用，给左值取别名。
特点：
- 可以通过取地址符 & 获取地址。
- 可以出现在赋值操作的左边。
int main()
{
// 以下的p、b、c、*p都是左值
// 左值：可以取地址
int* p = new int(0);
int b = 1;
const int c = b;
*p = 10;
string s("111111");
s[0];
cout << &c << endl;
cout << &s[0] << endl;
/
// 左值引用引用给右值取别名：不能直接引用，但是const 左值引用可以
double x = 1.1, y = 2.2;
const int& rx1 = 10;
const double& rx2 = x+y;
const double& rx3 = fmin(x, y);
const string& rx4 = string("11111");
}
什么是右值？什么是右值引用？
右值也是一个表示数据的表达式，如：字面常量、表达式返回值，函数返回值，匿名对象(这个不能是左值引用返回)等等，右值可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现出现在赋值符号的左边，右值不能取地址。右值引用就是对右值的引用，给右值取别名。
特点：
- 不能通过取地址符 & 获取地址。
- 只能出现在赋值操作的右边。
- 右值通常是常量、表达式的结果或临时对象。
int main()
{
// 右值：不能取地址
double x = 1.1, y = 2.2;
// 以下几个都是常见的右值，常量临时对象，匿名对象
10;
x + y;
fmin(x, y);
string("11111");
cout << &10 << endl;//err
cout << &(x+y) << endl;//err
cout << &(fmin(x, y)) << endl;//err
cout << &string("11111") << endl;//err
// 右值引用给右值取别名
int&& rr1 = 10;
double&& rr2 = x+y;
double&& rr3 = fmin(x,y);
/
// 右值引用引用给左值取别名：不能直接引用，但是move(左值)以后右值引用可以引用
int&& rrx1 = move(b);
int*&& rrx2 = move(p);
int&& rrx3 = move(*p);
string&& rrx4 = move(s);
string&& rrx5 = (string&&)s;
}
需要注意的是右值是不能取地址的，但是给右值取别名后，会导致右值被存储到特定位置，且可以取到该位置的地址，也就是说例如：不能取字面量10的地址，但是rr1引用后，可以对rr1取地址，也可以修改rr1。如果不想rr1被修改，可以用const int&& rr1 去引用。
int main()
{
double x = 1.1, y = 2.2;
int&& rr1 = 10;
const double&& rr2 = x + y;
rr1 = 20;
rr2 = 5.5; // 报错
return 0;
}
示例说明
int a = 5;
int b = 2;
int c = 3;
int d = b + c;
这里的5是一个右值，5本身并不能取地址，就是一个字面常量，这个直接把这个5赋值给a，但是这里的b + c的返回值5，需要用一块地址来接收，要不然这个值就失效了，所以，编译器会创建一个临时对象来存储 b + c 的结果，再把这个临时变量赋值给d。
int&& a = 5;
int b = 2;
int c = 3;
int&& d = b + c;
对于b + c 编译器会创建一个临时对象来存储b + c的结果，这里引用的就是b + c 产生的临时变量。这个临时对象的生命周期通常是表达式结束之前，但由于它被右值引用 d绑定，它的生命周期会延长至与 d 生命周期一样 。
在这里，5 是一个字面值常量，也是一个右值。编译器会为 5 创建一个临时对象，并将右值引用 a 绑定到这个临时对象，这个对象的生命周期同样延长到 a 生命周期一样。
左值引用与右值引用比较
左值引用总结：
- 左值引用只能引用左值，不能引用右值。
- 但是const左值引用既可引用左值，也可引用右值
int main()
{
// 左值引用只能引用左值，不能引用右值。
int a = 10;
int& ra1 = a; // ra为a的别名
//int& ra2 = 10; // 编译失败，因为10是右值
// const左值引用既可引用左值，也可引用右值。
const int& ra3 = 10;
const int& ra4 = a;
return 0;
}
右值引用总结：
- 右值引用只能右值，不能引用左值。
- 但是右值引用可以move以后的左值。
int main()
{
// 右值引用只能右值，不能引用左值。
int&& r1 = 10;
// error C2440: “初始化”: 无法从“int”转换为“int &&”
// message : 无法将左值绑定到右值引用
int a = 10;
int&& r2 = a;
// 右值引用可以引用move以后的左值
int&& r3 = std::move(a);
return 0;
}
右值引用使用场景和意义
前面我们可以看到左值引用既可以引用左值和又可以引用右值，那为什么C++11还要提出右值引用呢？下面我们来看看左值引用的短板，右值引用是如何补齐这个短板的！
引用的意义是减少拷贝，左值引用解决的场景：引用传参/引用传返回值
左值引用没有彻底解决的场景：传返回值
整形转字符串
string to_string(int value)
{
bool flag = true;
if (value < 0)
{
flag = false;
value = 0 - value;
}
bit::string str;
while (value > 0)
{
int x = value % 10;
value /= 10;
str += ('0' + x);
}
if (flag == false)
{
str += '-';
}
std::reverse(str.begin(), str.end());
return str;
}
因为str是一个临时对象所以出了作用域会销毁，所以当传值返回的时候会生成一个临时变量，如果临时变量比较小就会存在寄存器里，如果比较大，就会在要传值返回的对象销毁前在调用它的函数栈帧生成一个临时对象作为返回值。
为了方便观察我们写一个简单的string
class string
{
public:
typedef char* iterator;
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
typedef const char* const_iterator;
const_iterator begin() const
{
return _str;
}
const_iterator end() const
{
return _str + _size;
}
string(const char* str = "")
:_size(strlen(str))
, _capacity(_size)
{
cout << "string(char* str)" << endl;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
// s1.swap(s2)
void swap(string& s)
{
::swap(_str, s._str);
::swap(_size, s._size);
::swap(_capacity, s._capacity);
}
// 拷贝构造
// s2(s1)
string(const string& s)
:_str(nullptr)
{
cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
reserve(s._capacity);
for (auto ch : s)
{
push_back(ch);
}
}
// 移动构造
// 临时创建的对象，不能取地址，用完就要消亡
// 深拷贝的类，移动构造才有意义
string(string&& s)
:_str(nullptr)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动拷贝" << endl;
swap(s);
}
// 赋值重载
string& operator=(const string& s)
{
cout << "string& operator=(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
if (this != &s)
{
_str[0] = '\0';
_size = 0;
reserve(s._capacity);
for (auto ch : s)
{
push_back(ch);
}
}
return *this;
}
// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;
swap(s);
return *this;
}
~string()
{
cout << "~string()" << endl;
delete[] _str;
_str = nullptr;
}
char& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity)
{
char* tmp = new char[n + 1];
if (_str)
{
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
}
_str = tmp;
_capacity = n;
}
}
void push_back(char ch)
{
if (_size >= _capacity)
{
size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
reserve(newcapacity);
}
_str[_size] = ch;
++_size;
_str[_size] = '\0';
}
//string operator+=(char ch)
string& operator+=(char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
const char* c_str() const
{
return _str;
}
private:
char* _str = nullptr;
size_t _size = 0;
size_t _capacity = 0; // 不包含最后做标识的\0
};
}
int main()
{
string s = to_string(1234);
return 0;
}
通常我们把右值分为两类：
- 纯右值：内置类型右值，比如：字面常量，简单运算的返回值。
- 将亡值：类类型的右值，比如：匿名对象，类型转换产生的临时对象，传值返回产生的临时对象。
左值引用的短板：
但是当函数返回对象是一个局部变量，出了函数作用域就不存在了，就不能使用左值引用返回，只能传值返回。例如：string to_string(int value)函数中可以看到，这里只能使用传值返回，传值返回会导致至少1次拷贝构造(如果是一些旧一点的编译器可能是两次拷贝构造)。
优化后：
右值引用和移动语义解决上述问题：
在string中增加移动构造，移动构造本质是将参数右值的资源窃取过来，占位已有，那么就不用做深拷贝了，所以它叫做移动构造，就是窃取别人的资源来构造自己。
// 移动构造
// 临时创建的对象，不能取地址，用完就要消亡
// 深拷贝的类，移动构造才有意义
string(string&& s)
:_str(nullptr)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动拷贝" << endl;
swap(s);
}
优化后：
不仅仅有移动构造，还有移动赋值：
在string类中增加移动赋值函数，再去调用to_string(1234)，不过这次是将to_string(1234)返回的右值对象赋值给ret1对象，这时调用的是移动构造。
// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;
swap(s);
return *this;
}
int main()
{
bit::string ret1;
ret1 = bit::to_string(1234);
return 0;
}
// 运行结果：
// string(string&& s) -- 移动拷贝
// string& operator=(string&& s) -- 移动赋值
这里运行后，我们看到调用了一次移动构造和一次移动赋值。因为如果是用一个已经存在的对象接收，编译器就没办法优化了。
to_string函数中会先用str生成构造生成一个临时对象，但是我们可以看到，编译器很聪明的在这里把str识别成了右值，调用了移动构造。然后在把这个临时对象做为to_string函数调用的返回值赋值给ret1，这里调用的移动赋值。
右值引用引用左值及其一些更深入的使用场景分析
按照语法，右值引用只能引用右值，但右值引用一定不能引用左值吗？因为：有些场景下，可能真的需要用右值去引用左值实现移动语义。当需要用右值引用引用一个左值时，可以通过move
函数将左值转化为右值。C++11中，std::move()函数位于 头文件中，该函数名字具有迷惑性，它并不搬移任何东西，唯一的功能就是将一个左值强制转化为右值引用，然后实现移动语义。
template<class _Ty>
inline typename remove_reference<_Ty>::type&& move(_Ty&& _Arg) _NOEXCEPT
{
// forward _Arg as movable
return ((typename remove_reference<_Ty>::type&&)_Arg);
}
int main()
{
bit::string s1("hello world");
// 这里s1是左值，调用的是拷贝构造
bit::string s2(s1);
// 这里我们把s1 move处理以后, 会被当成右值，调用移动构造
// 但是这里要注意，一般是不要这样用的，因为我们会发现s1的
// 资源被转移给了s3，s1被置空了。
bit::string s3(std::move(s1));
return 0;
}
STL容器插入接口函数也增加了右值引用版本：
int main()
{
list<string> lt;
string s("1111");
lt.push_back(s);
lt.push_back("1111");
}
完美转发
模板中的&& 万能引用
//函数模版中
//&& &&->&&
//& &&->&
template <class T>
void PerfectForward(T&& x)
{
//...
}
模板中的&&不代表右值引用，而是万能引用，其既能接收左值又能接收右值。模板的万能引用只是提供了能够接收同时接收左值引用和右值引用的能力，但是引用类型的唯一作用就是限制了接收的类型，后续使用中都退化成了左值，我们希望能够在传递过程中保持它的左值或者右值的属性, 就需要完美转发。
void Func(int& x)
{
cout << "左值引用" << endl;
}
void Func(const int& x)
{
cout << "const 左值引用" << endl;
}
void Func(int&& x)
{
cout << "右值引用" << endl;
}
void Func(const int&& x)
{
cout << "const 右值引用" << endl;
}
//函数模版中
template <class T>
void PerfectForward(T&& x)
{
Func(x);
}
int main()
{
PerfectForward(10);//右值
int a;
PerfectForward(a); //左值
PerfectForward(move(a));//右值
const int b = 8;
PerfectForward(b); //const 左值
PerfectForward(move(b)); //const 右值
return 0;
}
forward 完美转发在传参的过程中保留对象原生类型属性
template <class T>
void PerfectForward(T&& x)
{
// 模版实例化是左值引用，保持属性直接传参给Fun
// 模版实例化是右值引用，右值引用属性会退化成左值，转换成右值属性再传参给Fun
Func(forward<T>(x));
}
实现过程类似如下：
void PerfectForward(int& x)
{
Func(x);
}
void PerfectForward(const int& x)
{
Func(move(x));
}
void PerfectForward(int && x)
{
Func(move(x));
}
void PerfectForward(const int&& x)
{
Func(move(x));
}
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