C++右值引用与转移和完美转发

C++右值引用与转移和完美转发

1、右值引用

1.1右值

lvalue 是 loactor value 的缩写，rvalue 是 read value 的缩写

左值是指存储在内存中、有明确存储地址（可取地址）的数据；

右值是指可以提供数据值的数据（不可取地址）；

通过描述可以看出，区分左值与右值的便捷方法是：可以对表达式取地址（&）就是左值，否则为右值 。所有有名字的变量或对象都是左值，而右值是匿名的。

示例：

double a = 13.14;
double b = 1314;
a += b;

一般情况下，位于 = 前的表达式为左值，位于 = 后边的表达式为右值。也就是说例子中的 a, b 为左值，13.14,1314 为右值。a+=b 是一种特殊情况，在这个表达式中 a, b 都是左值，因为变量 b 是可以被取地址的，不能视为右值。

C++11 中右值可以分为两种：一个是将亡值（ xvalue, expiring value），另一个则是纯右值（ prvalue, PureRvalue）：

纯右值：非引用返回的临时变量、运算表达式产生的临时变量、原始字面量和 lambda 表达式等
将亡值：与右值引用相关的表达式，比如，T&& 类型函数的返回值、 std::move 的返回值等。

int value = 1314;

在上面的语句中，value 是左值，520 是字面量也就是右值。其中 value 可以被引用，但是 520 就不行了，因为字面量都是右值。

1.2右值引用

C++11 增加了一个新的类型，称为右值引用（ R-value reference），标记为 &&。右值引用就是对一个右值进行引用的类型。因为右值是匿名的，所以我们只能通过引用的方式找到它。无论声明左值引用还是右值引用都必须立即进行初始化，因为引用类型本身并不拥有所绑定对象的内存，只是该对象的一个别名。通过右值引用的声明，该右值又“重获新生”，其生命周期与右值引用类型变量的生命周期一样，只要该变量还活着，该右值临时量将会一直存活下去。

示例：

#include 
using namespace std;

int&& value = 520;
class Test
{
public:
    Test()
    {
        cout << "construct: my name is jerry" << endl;
    }
    Test(const Test& a)
    {
        cout << "copy construct: my name is tom" << endl;
    }
};

Test getObj()
{
    return Test();
}

int main()
{
    int a1;
    //int &&a2 = a1;        // error
    //Test& t = getObj();   // error
    Test && t = getObj();
    const Test& t = getObj();
    return 0;
}

在上面的例子中 int&& value = 520; 里面 520 是纯右值，value 是对字面量 520 这个右值的引用。
在 int &&a2 = a1; 中 a1 虽然写在了 = 右边，但是它仍然是一个左值，使用左值初始化一个右值引用类型是不合法的。
在 Test& t = getObj() 这句代码中语法是错误的，右值不能给普通的左值引用赋值。
在 Test && t = getObj(); 中 getObj() 返回的临时对象被称之为将亡值，t 是这个将亡值的右值引用。
const Test& t = getObj() 这句代码的语法是正确的，常量左值引用是一个万能引用类型，它可以接受左值、右值、常量左值和常量右值。

1.3深拷贝时的性能优化

#include 
using namespace std;

class Test
{
public:
    Test() : m_num(new int(100))
    {
        cout << "construct: my name is jerry" << endl;
    }

    Test(const Test& a) : m_num(new int(*a.m_num))
    {
        cout << "copy construct: my name is tom" << endl;
    }

    // 添加移动构造函数
    Test(Test&& a) : m_num(a.m_num)
    {
        a.m_num = nullptr;
        cout << "move construct: my name is sunny" << endl;
    }

    ~Test()
    {
        delete m_num;
        cout << "destruct Test class ..." << endl;
    }

    int* m_num;
};

Test getObj()
{
    Test t;
    return t;
}

int main()
{
    Test t = getObj();
    cout << "t.m_num: " << *t.m_num << endl;
    return 0;
};

结果如下：

construct: my name is jerry
move construct: my name is sunny
destruct Test class ...
t.m_num: 100
destruct Test class ...

通过修改，在上面的代码给 Test 类添加了移动构造函数（参数为右值引用类型），这样在进行 Test t = getObj(); 操作的时候并没有调用拷贝构造函数进行深拷贝，而是调用了移动构造函数，在这个函数中只是进行了浅拷贝，没有对临时对象进行深拷贝，提高了性能。

如果不使用移动构造，在执行 Test t = getObj() 的时候也是进行了浅拷贝，但是当临时对象被析构的时候，类成员指针 int* m_num; 指向的内存也就被析构了，对象 t 也就无法访问这块内存地址了。

在测试程序中 getObj() 的返回值就是一个将亡值，也就是说是一个右值，在进行赋值操作的时候如果 = 右边是一个右值，那么移动构造函数就会被调用。移动构造中使用了右值引用，会将临时对象中的堆内存地址的所有权转移给对象t，这块内存被成功续命，因此在t对象中还可以继续使用这块内存。

对于需要动态申请大量资源的类，应该设计移动构造函数，以提高程序效率。需要注意的是，我们一般在提供移动构造函数的同时，也会提供常量左值引用的拷贝构造函数，以保证移动不成还可以使用拷贝构造函数。

1.4&&什么时候是右值引用

template<typename T>
void f(T&& param);
void f1(const T&& param);
f(10); 	   //1
int x = 10;//2
f(x); 	   //3
f1(x);	   //4

第 1 行中，对于 f(10) 来说传入的实参 10 是右值，因此 T&& 表示右值引用
第 3 行中，对于 f(x) 来说传入的实参是 x 是左值，因此 T&& 表示左值引用
第 4 行中，f1(x) 的参数是 const T&& 不是未定引用类型，不需要推导，本身就表示一个右值引用

int main()
{
    int x = 520, y = 1314;
    auto&& v1 = x;          //1
    auto&& v2 = 250;        //2
    decltype(x)&& v3 = y;   //3 error
    cout << "v1: " << v1 << ", v2: " << v2 << endl;
    return 0;
};

第 1 行中 auto&& 表示一个整形的左值引用
第 2 行中 auto&& 表示一个整形的右值引用
第 3 行中 decltype(x)&& 等价于 int&& 是一个右值引用不是未定引用类型，y 是一个左值，不能使用左值初始化一个右值引用类型。

由于上述代码中存在 T&& 或者 auto&& 这种未定引用类型，当它作为参数时，有可能被一个右值引用初始化，也有可能被一个左值引用初始化，在进行类型推导时右值引用类型（&&）会发生变化，这种变化被称为引用折叠。在 C++11 中引用折叠的规则如下：

通过右值推导 T&& 或者 auto&& 得到的是一个右值引用类型

通过非右值（右值引用、左值、左值引用、常量右值引用、常量左值引用）推导 T&& 或者 auto&& 得到的是一个左值引用类型

int&& a1 = 5;   //1
auto&& bb = a1; //2
auto&& bb1 = 5; //3

int a2 = 5;     //4
int &a3 = a2;   //5
auto&& cc = a3; //6
auto&& cc1 = a2;//7

const int& s1 = 100;//8
const int&& s2 = 100;//9
auto&& dd = s1; //10
auto&& ee = s2; //11

const auto&& x = 5; //12

第 2 行：a1 为右值引用，推导出的 bb 为左值引用类型
第 3 行：5 为右值，推导出的 bb1 为右值引用类型
第 6 行：a3 为左值引用，推导出的 cc 为左值引用类型
第 7 行：a2 为左值，推导出的 cc1 为左值引用类型
第 10 行：s1 为常量左值引用，推导出的 dd 为常量左值引用类型
第 11 行：s2 为常量右值引用，推导出的 ee 为常量左值引用类型
第 12 行：x 为右值引用，不需要推导，只能通过右值初始化

#include 
using namespace std;

void printValue(int &i)
{
    cout << "l-value: " << i << endl;
}

void printValue(int &&i)
{
    cout << "r-value: " << i << endl;
}

void forward(int &&k)
{
    printValue(k);
}

int main()
{
    int i = 520;
    printValue(i);
    printValue(1314);
    forward(250);

    return 0;
};

l-value: 520
r-value: 1314
l-value: 250

根据测试代码可以得知，编译器会根据传入的参数的类型（左值还是右值）调用对应的重置函数（printValue），函数 forward () 接收的是一个右值，但是在这个函数中调用函数 printValue () 时，参数 k 变成了一个命名对象，编译器会将其当做左值来处理。

左值和右值是独立于他们的类型的，右值引用类型可能是左值也可能是右值。
编译器会将已命名的右值引用视为左值，将未命名的右值引用视为右值。
auto&&或者函数参数类型自动推导的T&&是一个未定的引用类型，它可能是左值引用也可能是右值引用类型，这取决于初始化的值类型（上面有例子）。
通过右值推导 T&& 或者 auto&& 得到的是一个右值引用类型，其余都是左值引用类型。

2、转移和完美转发

2.1move

在 C++11 添加了右值引用，并且不能使用左值初始化右值引用，如果想要使用左值初始化一个右值引用需要借助 std::move () 函数，使用std::move方法可以将左值转换为右值。使用这个函数并不能移动任何东西，而是和移动构造函数一样都具有移动语义，将对象的状态或者所有权从一个对象转移到另一个对象，只是转移，没有内存拷贝。

从实现上讲，std::move 基本等同于一个类型转换：static_cast(lvalue);，函数原型如下:

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));
}

class Test
{
public：
    Test(){}
    ......
}
int main()
{
    Test t;
    //decltype(x) && v1 = t;          // error
    decltype(x) && v2 = move(t);    // ok
    return 0;
}

在第 4 行中，使用左值初始化右值引用，因此语法是错误的
在第 5 行中，使用 move() 函数将左值转换为了右值，这样就可以初始化右值引用了。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;


int main(int argc,char *argv[])
{
    vector<string> dd={
        "dddddd",
        "dddddd",
        "dddddd",
        "dddddd",
    };
    
    vector<string> cc=move(dd);

    decltype(dd) && bb=move(cc);

    cout<<"cc.size: "<<cc.size()<<"  dd.size: "<<dd.size()<<endl;

    cout<<"cc.size: "<<cc.size()<<endl;
    dd=move(cc);
    cout<<"cc.size: "<<cc.size()<<"  dd.size: "<<dd.size()<<endl;

    
    
    return 0;
}

如果不使用 std::move，拷贝的代价很大，性能较低。使用 move 几乎没有任何代价，只是转换了资源的所有权。如果一个对象内部有较大的堆内存或者动态数组时，使用 move () 就可以非常方便的进行数据所有权的转移。另外，我们也可以给类编写相应的移动构造函数（T::T(T&& another)）和和具有移动语义的赋值函数（T&& T::operator=(T&& rhs)），在构造对象和赋值的时候尽可能的进行资源的重复利用，因为它们都是接收一个右值引用参数。

注意：

使用move后，被move的类的数据转移到了新类上，被move的类的大小变为0。而decltype(dd) && bb=move(cc);右值引用则不会是原来的类清空。

2.forward

右值引用类型是独立于值的，一个右值引用作为函数参数的形参时，在函数内部转发该参数给内部其他函数时，它就变成一个左值，并不是原来的类型了。如果需要按照参数原来的类型转发到另一个函数，可以使用 C++11 提供的 std::forward () 函数，该函数实现的功能称之为完美转发。

// 函数原型
template <class T> T&& forward (typename remove_reference<T>::type& t) noexcept;
template <class T> T&& forward (typename remove_reference<T>::type&& t) noexcept;

// 精简之后的样子
std::forward<T>(t);

#include 
using namespace std;

template<typename T>
void printValue(T& t)
{
    cout << "l-value: " << t << endl;
}

template<typename T>
void printValue(T&& t)
{
    cout << "r-value: " << t << endl;
}

template<typename T>
void testForward(T && v)
{
    printValue(v);
    printValue(move(v));
    printValue(forward<T>(v));
    cout << endl;
}

int main()
{
    testForward(520);
    int num = 1314;
    testForward(num);
    testForward(forward<int>(num));
    testForward(forward<int&>(num));
    testForward(forward<int&&>(num));

    return 0;
}

testForward(520); 函数的形参为未定引用类型 T&&，实参为右值，初始化后被推导为一个右值引用
printValue(v); 已命名的右值 v，编译器会视为左值处理，实参为左值
printValue(move(v)); 已命名的右值编译器会视为左值处理，通过 move 又将其转换为右值，实参为右值
printValue(forward(v));forward 的模板参数为右值引用，最终得到一个右值，实参为 右值
testForward(num); 函数的形参为未定引用类型 T&&，实参为左值，初始化后被推导为一个左值引用
printValue(v); 实参为左值
printValue(move(v)); 通过 move 将左值转换为右值，实参为右值
printValue(forward(v));forward 的模板参数为左值引用，最终得到一个左值引用，实参为左值
testForward(forward(num));forward 的模板类型为 int，最终会得到一个右值，函数的形参为未定引用类型 T&& 被右值初始化后得到一个右值引用类型
printValue(v); 已命名的右值 v，编译器会视为左值处理，实参为左值
printValue(move(v)); 已命名的右值编译器会视为左值处理，通过 move 又将其转换为右值，实参为右值
printValue(forward(v));forward 的模板参数为右值引用，最终得到一个右值，实参为右值
testForward(forward(num));forward 的模板类型为 int&，最终会得到一个左值，函数的形参为未定引用类型 T&& 被左值初始化后得到一个左值引用类型
printValue(v); 实参为左值
printValue(move(v)); 通过 move 将左值转换为右值，实参为右值
printValue(forward(v));forward 的模板参数为左值引用，最终得到一个左值，实参为左值
testForward(forward(num));forward 的模板类型为 int&&，最终会得到一个右值，函数的形参为未定引用类型 T&& 被右值初始化后得到一个右值引用类型
printValue(v); 已命名的右值 v，编译器会视为左值处理，实参为左值
printValue(move(v)); 已命名的右值编译器会视为左值处理，通过 move 又将其转换为右值，实参为右值
printValue(forward(v));forward 的模板参数为右值引用，最终得到一个右值，实参为右值

参考：爱编程的大丙