C++11【右值引用详解】
右值引用
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- ️1. 左值引用和右值引用
- 2. 左值引用与右值引用的比较
- 3. 右值引用的使用场景
- 4. 右值引用引用左值
- ⛺5. 完美转发
- 6. 完美转发的应用场景
️1. 左值引用和右值引用
在之前，我们学习过左值引用，在C++11中，新增了一个语法特性：右值引用，但无论左值引用还是右值引用，都是给对象取别名.
那么首先，什么是左值，什么是左值引用？
左值是一个表示数据的表达式，我们可以获取它的地址+可以对它赋值，左值引用可以出现在赋值符号的左边，右值不能出现在赋值符号左边，定义时，const修饰的左值不能赋值，但是可以取地址，左值引用就是给左值取别名.
什么是右值，什么是右值引用？
右值也是一个数据的表达式，如：字面常量、表达式返回值、函数返回值（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.
int main()
{
double x = 1.1, y = 2.2;
//以下几个都是常见的右值
10;
x + y;
min(x, y); //传值返回
//以下几个都是对右值的右值引用
int&& rr1 = 10;
double&& rr2 = x + y;
double&& rr3 = min(x, y);
return 0;
}
注意：右值是不能取地址的，但是给右值取别名后，会导致右值被存储在特定的位置，且可以取到该位置的地址，例如：不能对字面量10取地址，但是被rr1引用后，可以对rr1取地址，也可以修改rr1.
2. 左值引用与右值引用的比较
左值引用总结：
- 左值引用只能引用左值
- 但是
const左值引用既能引用左值，也能引用右值.
int main()
{
//int& r = 10; 错误!左值引用不能引用右值
const int& r = 10; //const 左值引用可以引用右值
return 0;
}
右值引用总结：
- 右值引用只能引用右值，不能引用左值
- 但是右值引用可以引用
move以后的左值
int main()
{
int a = 10;
//int&& ra = a; 错误! 右值引用只能引用右值
int&& ra = std::move(a); //右值引用可以引用move以后的左值
return 0;
}
3. 右值引用的使用场景
刚才我们提到，左值引用既可以引用左值又可以引用右值（使用const 左值引用），那为什么C++11还要提出右值引用呢？在一些，场景下，左值引用具有短板：
string to_string(int value)
{
bool flag = true;
if (value < 0)
{
flag = false;
value = 0 - value;
}
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;
}
这样的一个to_string函数，最终返回值是一个局部变量，无法用左值引用返回，此时，我们就需要右值引用来完成.
对于这个to_string函数，我们进行一次调用：
//这是string的拷贝构造函数
string(const string& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s._str);
swap(tmp);
}
int main()
{
MyString::string str = MyString::to_string(1121);
return 0;
}
运行结果如下：
可以看到，它调用了一次拷贝构造：
用右值引用和移动语义来解决上述问题：
在MyString中增加移动构造，移动构造的本质是将参数右值的资源窃取过来，占为己有，那就不需要去深拷贝了，所以它叫做移动构造，就是窃取别人的资源来构造自己.
string(string&& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
cout << "string(string&& s) -- 资源转移" << endl;
swap(s);
}
int main()
{
MyString::string str = MyString::to_string(1121);
return 0;
}
在增加了移动构造后，我们再来运行这句代码：
过程分析：
但是为什么运行结果显示只有一次移动构造呢？
所以这里没有调用深拷贝的拷贝构造，而是调用了移动构造，移动构造没有新开辟空间，拷贝数据，效率提高.
不仅仅有移动构造，还有移动赋值：
在MyString中增加移动赋值函数，再去调用to_string(1121)，不过这次是将to_string(1121)返回的右值对象赋值给str，这时调用移动赋值.
// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动语义" << endl;
swap(s);
return *this;
}
int main()
{
MyString::string str;
str = MyString::to_string(1234);
return 0;
}
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作为to_string函数调用的返回值赋值给str，这里调用的移动赋值
4. 右值引用引用左值
按照语法，右值引用只能引用右值，但右值引用就一定不能引用左值吗？
在有些场景下，可能需要右值引用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
比如，在C++11中，STL中的容器插入类的接口函数也实现了右值引用版本：
为什么要去实现呢？
我们来看下面的代码：
我们创建了一个存储string对象的list容器，并且分别用左值（s1），和右值（"3333"，"std::move(s1)"）向其中插入元素，来看看运行结果：
int main()
{
list<MyString::string> lt;
MyString::string s1("1111");
//深拷贝
lt.push_back(s1);
//移动构造（资源转移）
lt.push_back("3333");
lt.push_back(std::move(s1));
return 0;
}
可以看到，运行结果和我们在代码注释中所描述的一样，那么，为什么是这样的结果呢？
但是，在std::move(s1)并插入s1后，s1的资源会被转移到newnode上面，这时s1便不能再使用，所以，在使用std::move()函数时需要谨慎操作.
对于lt.push_back("3333")，可以避免拷贝构造，提高效率.
⛺5. 完美转发
void Fun(int &x){ cout << "左值引用" << endl; }
void Fun(const int &x){ cout << "const 左值引用" << endl; }
void Fun(int &&x){ cout << "右值引用" << endl; }
void Fun(const int &&x){ cout << "const 右值引用" << endl; }
// 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和右值的能力，
// 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, 就需要用到完美转发
template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{
Fun(t);
}
int main()
{
PerfectForward(10); // 右值
int a;
PerfectForward(a); // 左值
PerfectForward(std::move(a)); // 右值
const int b = 8;
PerfectForward(b); // const 左值
PerfectForward(std::move(b)); // const 右值
return 0;
}
运行结果：
对于上述代码中描述的万能引用，它能同时接收左值和右值，但是却无法保持它们的属性，这样就会造成问题：
template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{
MyString::string copy = t;
}
int main()
{
MyString::string s1("2222");
PerfectForward(MyString::string("1111"));
return 0;
}
运行结果：
在这里，我们传入了一个临时对象（右值），我们期望通过它的右值属性从而在构造string时能够进行移动构造的调用，但在这里，由于万能引用不能保持它的属性，对于右值引用，它本身是一个左值，所以这里调用了深拷贝.
如果要解决这种问题，需要使用std::forward：
template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{
MyString::string copy = std::forward<T>(t);;
}
int main()
{
MyString::string s1("2222");
PerfectForward(MyString::string("1111"));
return 0;
}
运行结果：
6. 完美转发的应用场景
//简易版的list
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode* _next = nullptr;
ListNode* _prev = nullptr;
T _data;
};
template<class T>
class List
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
List()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
void PushBack(T&& xx)
{
//Insert(_head, x);
Insert(_head, std::forward<T>(xx)); //使用完美转发保持右值属性
}
void PushBack(const T& x)
{
//Insert(_head, x);
Insert(_head, x);
}
void PushFront(T&& xx)
{
//Insert(_head->_next, x);
Insert(_head->_next, std::forward<T>(xx)); //使用完美转发保持右值属性
}
void Insert(Node* pos, T&& xx)
{
Node* prev = pos->_prev;
Node* newnode = new Node;
newnode->_data = std::forward<T>(xx); // 关键位置，使用完美转发保持右值属性
// prev newnode pos
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = pos;
pos->_prev = newnode;
}
void Insert(Node* pos, const T& x)
{
Node* prev = pos->_prev;
Node* newnode = new Node;
newnode->_data = x;
// prev newnode pos
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = pos;
pos->_prev = newnode;
}
private:
Node* _head;
};
int main()
{
List<MyString::string> lt;
MyString::string s1("11111");
lt.PushBack(s1);
lt.PushBack("2222");
return 0;
}
运行结果：
可以看到，对于PushBack操作，如果插入右值，我们使用了完美转发来在值传递过程中保持它的右值属性，从而保证最终调用节点中所存类型值的移动构造，提升效率.
文章中用到的MyString代码：
namespace MyString
{
class string
{
public:
typedef char* iterator;
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
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);
}
//移动构造
string(string&& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
cout << "string(string&& s) -- 资源转移" << endl;
swap(s);
}
// 拷贝构造
string(const string& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s._str);
swap(tmp);
}
//移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 资源转移" << endl;
swap(s);
return *this;
}
// 赋值重载
string& operator=(const string& s)
{
cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s);
swap(tmp);
return *this;
}
~string()
{
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];
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;
size_t _size;
size_t _capacity; // 不包含最后做标识的\0
};
MyString::string operator+(const MyString::string& s, char ch)
{
MyString::string ret(s);
ret += ch;
return ret;
}
MyString::string to_string(int value)
{
bool flag = true;
if (value < 0)
{
flag = false;
value = 0 - value;
}
MyString::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;
}
}