【C++11】右值引用和移动语义
目录
右值引用和移动语义
1.1 左值引用和右值引用
1.1.1 左值和左值引用
1.1.2 右值和右值引用
1.2 左值引用与右值引用比较
1.3 左值引用使用场景和意义
1.4 右值引用的使用场景和意义
1.5 右值引用引用左值及其一些更深入的使用场景分析
1.6 完美转发
1.6.1 万能引用
1.6.2 完美转发
补充：C++11中STL的一些变化
C++11在string中增加了一些函数
字符串转其他类型
其他类型转字符串
右值引用和移动语义
1.1 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，所以前面篇章所提到的引用都是叫做左值引用。无论左值引用还是右值引用，都是给对象取别名
1.1.1 左值和左值引用
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)，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。
什么是左值引用？
左值引用（&）就是给左值的引用，给左值取别名
例如：
int main()
{
// 以下的p、b、c、*p都是左值
int* p = new int(0);
int b = 1;
const int c = 2;
// 以下几个是对上面左值的左值引用
int*& rp = p;
int& rb = b;
const int& rc = c;
int& pvalue = *p;
return 0;
}1.1.2 右值和右值引用
什么是右值？
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(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。
什么是右值引用？
右值引用（&&）就是对右值的引用，给右值取别名
例如：
int main()
{
double x = 1.1, y = 2.2;
// 以下几个都是常见的右值
10;
x + y;
fmin(x, y);
// 以下几个都是对右值的右值引用
int&& rr1 = 10;
double&& rr2 = x + y;
double&& rr3 = fmin(x, y);
// 这里编译会报错：error C2106: “=”: 左操作数必须为左值,右值不能出现在赋值符号的左边
//10 = 1;
//x + y = 1;
//fmin(x, y) = 1;
return 0;
}- 右值本质就是一个临时变量或常量值，比如代码中的10就是常量值，表达式x+y 和函数fmin的返回值就是临时变量，这些都叫做右值。
- 这些临时变量和常量值并没有被实际存储起来，这也就是为什么右值不能被取地址的原因，因为只有被存储起来后才有地址。
- 但需要注意的是，这里说函数的返回值是右值，指的是传值返回的函数，因为传值返回的函数在返回对象时返回的是对象的拷贝，这个拷贝出来的对象就是一个临时变量
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，这个了解一下即可，实际中右值引用的使用场景并不在于此，这个特性也不重要
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;
}编译报错
1.2 左值引用与右值引用比较
无论左值引用还是右值引用，两者都是给对象取别名
左值引用总结：
- 左值引用使用的符号是 “ & ”
- 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
测试代码
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;
}注意：
- 左值引用不能引用右值，这里涉及权限放大的问题，权限只能平移或缩小，不能放大，右值是不能被修改的（只读），而左值引用是可以对变量进行读取和修改（可读可写），比如，int& ra2 = 10，10是一个右值，且是一个常量，10（只读），左值引用ra2（可读可写），10 赋值给 ra2，10的权限被放大了
- 但是 const左值引用（只读）可以引用右值（只读），因为 const左值引用能够保证被引用的数据不会被修改，权限可以平行
右值引用总结：
- 右值引用使用的符号是 “ && ”
- 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
测试代码
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 &&”: 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;
}编译结果
注：用move函数是C++11标准提供的一个函数，被move后的左值能够赋值给右值引， move以后的左值就变成了右值
1.3 左值引用使用场景和意义
在谈这个之前，先谈一下左值引用的缺陷，左值引用对于出了作用域就销毁的对象无法使用，这是左值引用的缺陷，而 C++11提出的右值引用就是用来解决左值引用的缺陷
左值引用的使用场景：
- 左值引用做参数，作用：a、做输出型参数 b、大对象传参提高效率（左值引用做参数，能够完全避免传参时不必要的拷贝操作）
- 左值引用做返回值，作用：a、输出型返回对象，调用者可以修改返回对象 b、减少拷贝，提高效率（左值引用做返回值，并不能完全避免函数返回对象时不必要的拷贝操作）
左值引用的缺陷：
- 左值引用对于出了作用域就销毁的对象无法使用，比如函数返回的对象是一个局部变量，该变量出了函数作用域就被销毁了，这种情况下不能用左值引用作为返回值，只能以传值的方式返回，这就是左值引用的短板
下面进行测试，测试代码是一个简化版的string，拷贝构造函数和赋值运算符重载函数当中打印了一条提示语句，当调用这两个函数时可以让我们知道知道调用了几次
namespace fy
{
class string
{
public:
//构造函数
string(const char* str = "")
{
_size = strlen(str);//字符串大小
_capacity = _size;//构造时，容量大小默认与字符串大小相同
_str = new char[_capacity + 1];//为字符串开辟空间（多开一个用于存放'\0'）
strcpy(_str, str);//将C字符串拷贝到已开好的空间
}
//析构函数
~string()
{
delete[] _str; //释放_str指向的空间
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
//拷贝构造 -- 现代写法
string(const string& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
,_capacity(0)
{
cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s._str);//复用构造函数，构造 tmp对象
swap(tmp);//交换
}
//赋值重载 -- 现代写法1
string& operator=(const string& s)
{
cout << "string& operator=(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
if (this == &s)//检查自我赋值
{
return *this;
}
string tmp(s);//复用拷贝构造函数，用s拷贝构造出对象tmp
swap(tmp);
return *this;//返回左值，目的是为了支持连续赋值
}
typedef char* iterator;//迭代器
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
//更改容量大小
void reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity)//n大于现有容量，增容，n小于现有容量则不改变容量
{
char* tmp = new char[n + 1];
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
_capacity = n;//更新容量
}
}
//交换两个字符串
void swap(string& s)
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
const char* c_str()const
{
return _str;
}
//尾插一个字符
void push_back(char c)
{
if (_size == _capacity)//判断是否需要增容
{
size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
reserve(newCapacity);
}
_str[_size] = c;
++_size;
_str[_size] = '\0';
}
//+= 一个字符
string& operator+=(char c)
{
push_back(c);
return *this;
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
}下面我们模拟实现一个 int版本的 to_string函数，这个 to_string函数就不能使用左值引用返回，因为to_string函数返回的是一个局部变量
namespace fy
{
//模拟实现一个int版本的to_string函数
string to_string(int value)
{
bool flag = true;
if (value < 0)
{
flag = false;
value = 0 - value;
}
fy::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;
}
}此时调用to_string函数返回时，就一定会调用string的拷贝构造函数，因为以传值传参的方式一定会调用拷贝构造函数
int main()
{
fy::string s1 = fy::to_string(11111);
return 0;
}运行结果
C++11提出右值引用就是为了解决左值引用的这个缺陷：左值引用对于出了作用域就销毁的对象无法使用
下面说一下编译器优化的问题
实际当一个函数在返回局部对象时，会先用这个局部对象拷贝构造出一个临时对象，然后再用这个临时对象来拷贝构造我们接收返回值的对象
对于深拷贝的类来说这里就会进行两次深拷贝，所以大部分编译器为了提高效率都对这种情况进行了优化，这种连续调用构造函数的场景通常会被优化成一次，对于比较老的编译器可能是拷贝两次（没有进行优化）
注意：这种优化只会在连续构造的时候，编译器才进行优化
下面开始讲解右值引用和移动语义
1.4 右值引用的使用场景和意义
右值引用解决上述问题的方式就是：增加移动构造和移动赋值方法
移动构造
移动构造是一个构造函数，该构造函数的参数是右值引用类型的，移动构造本质就是将传入右值的资源窃取过来，占为己有，这样就避免了进行深拷贝，所以它叫做移动构造，就是窃取别人的资源来构造自己
比如，在上面的模拟实现的string加上移动构造，函数要做的就是调用swap函数将传入右值的资源窃取过来
// 移动构造
string(string&& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动语义" << endl;//更明显观察是否调用了该函数
swap(s);//与右值的资源进行直接交换，不进行深拷贝
}给string类增加移动构造后，对于返回局部string对象的这类函数，在返回string对象时就会调用移动构造进行资源的移动，而不会再调用拷贝构造函数进行深拷贝
int main()
{
fy::string s1 = fy::to_string(11111);
return 0;
}运行结果
进行调试查看
从调试结果可以明显看出，s1 把 str的资源窃取过来了
注意：
- to_string当中返回的局部string对象是一个左值，但由于该 string对象在当前函数调用结束后就会立即被销毁，这种即将被消耗的值叫做 “将亡值”，比如匿名对象也可以叫做“将亡值”。
- 既然 “将亡值” 马上就要被销毁了，那还不如把它的资源转移给别人用，因此编译器在识别这种“将亡值”时会将其识别为右值，这样就可以匹配到参数类型为右值引用的移动构造函数
移动构造和拷贝构造的区别
- C++11之前，是没有增加移动构造的，由于拷贝构造采用的是 const左值引用接收参数，因此无论拷贝构造对象时传入的是左值还是右值，都会调用拷贝构造函数。
- 在C++11之后，增加了移动构造，由于移动构造采用的是右值引用接收参数，因此如果拷贝构造对象时传入的是右值，那么就会调用移动构造函数（最匹配原则）。
比如，上面模拟实现是 string的拷贝构造函数做的是深拷贝，而移动构造函数中只需要调用 swap函数进行资源的转移，因此调用移动构造的代价比调用拷贝构造的代价小
还有一点要注意:
编译器对拷贝的优化，对这里的移动构造依旧生效
- 如果编译器不优化这里应该调用两次移动构造，第一次调用移动构造用返回的局部string对象构造出一个临时对象，第二次调用移动构造用这个临时对象构造接收返回值的对象
- 而经过编译器优化后，最终这两次移动构造就被优化成了一次，也就是直接将返回的局部string对象的资源移动给了接收返回值的对象
注意：这种优化只会在连续构造的时候，编译器才进行优化
int main()
{
//fy::string s1 = fy::to_string(11111);
//不是连续构造，编译器不进行优化
fy::string s1;
s1 = fy::to_string(11111);
return 0;
}运行结果，这里依旧存在赋值重载的深拷贝的原因是我们没有实现移动赋值，又调用了一次左值引用拷贝构造的深拷贝原因是：赋值重载里面调用了左值的拷贝构造函数
这里仍然需要再调用一次赋值运算符重载函数进行深拷贝，因此深拷贝的类不仅需要实现移动构造，还需要实现移动赋值
下面实现移动赋值
移动赋值
移动赋值是一个赋值运算符重载函数，该函数的参数是右值引用类型的，移动赋值也是将传入右值的资源窃取过来，占为己有，这样就避免了深拷贝，所以它叫移动赋值，就是窃取别人的资源来赋值给自己
比如，在上面的模拟实现的string加上移动赋值，函数要做的就是调用swap函数将传入右值的资源窃取过来
// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动语义" << endl;//使更明显观察是否调用了该函数
swap(s);//与右值的资源进行直接交换，不进行深拷贝
return *this;//支持连续赋值
}给string增加移动构造和移动赋值以后，进行赋值时不会存在深拷贝的问题
int main()
{
fy::string s1;
s1 = fy::to_string(11111);
return 0;
}运行结果，不存在深拷贝了
右值引用的移动赋值和左值引用的赋值重载的区别：
- 在C++11之前，没有增加移动赋值，由于原有 operator=函数 采用的是 const左值引用接收参数，因此无论赋值时传入的是左值还是右值，都会调用原有的operator=函数。
- 在C++11之后，增加了移动赋值，由于移动赋值采用的是右值引用接收参数，因此如果赋值时传入的是右值，那么就会调用移动赋值函数（最匹配原则）。
下面看看 STL容器，比如string
其他容器也是如此，都增加了移动构造和移动赋值这两个函数
1.5 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
move 函数的定义如下
template
inline typename remove_reference<_Ty>::type&& move(_Ty&& _Arg) _NOEXCEPT
{
// forward _Arg as movable
return ((typename remove_reference<_Ty>::type&&)_Arg);
} 测试代码，依旧是上面模拟实现的string
int main()
{
fy::string s1("hello world");
// 这里s1是左值，调用的是拷贝构造
fy::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。
fy::string s3(std::move(s1));
return 0;
}运行结果
调试查看，发现s1的资源被转移给了s3，s1被置空了
一个左值被move以后，它的资源可能就被转移给别人了，因此要慎用move
1.6 完美转发
1.6.1 万能引用
在模板中的 && 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
右值引用和万能引用的区别就是，右值引用需要是确定的类型，而万能引用是根据传入的参数的类型进行推导，如果传入的参数是一个左值，那么这里的 t 就是左值引用，如果传入的参数是一个右值，那么这里的 t 就是右值引用
比如：
template
void PerfectForward(T&& t)// 这里的 && 是万能引用
{
//...
}
下面重载了四个Func函数，这四个Func函数的参数类型分别是左值引用、const左值引用、右值引用和const右值引用。在主函数中调用PerfectForward函数时分别传入左值、右值、const左值和 const右值，在PerfectForward函数中再调用Func函数
代码如下：
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, 就需要用我们下面学习的完美转发
template
void PerfectForward(T&& t)
{
Fun(t);//调用Fun函数
}
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
由于 PerfectForward函数的参数类型是万能引用，因此既可以接收左值也可以接收右值，而我们在 PerfectForward函数中调用 Func函数，就是希望调用 PerfectForward函数时传入左值、右值、const左值、const右值，能够匹配到对应版本的Func函数
但实际调用 PerfectForward函数时传入左值和右值，最终都匹配到了左值引用版本的Func函数，调用PerfectForward函数时传入const左值和const右值，最终都匹配到了const左值引用版本的Func函数
这个结果并不是我们所预期的，根本原因就是，右值被引用后会导致右值被存储到特定位置，这时这个右值可以被取到地址，并且可以被修改，所以在 PerfectForward函数中调用Func函数时会将t识别成左值
也就是说，右值经过一次参数传递后其属性会退化成左值，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, 就需要使用完美转发
1.6.2 完美转发
完美转发的作用是：完美转发在传参的过程中保留对象原生类型属性
使用的函数是 std::forward，在传参时需要调用 forward函数
该函数使用如下 ：
template
void PerfectForward(T&& t)
{
Fun(std::forward(t));//调用Fun函数
} 经过完美转发后，调用PerfectForward函数时传入的是右值就会匹配到右值引用版本的Func函数，传入的是const右值就会匹配到const右值引用版本的Func函数，这就是完美转发的价值
运行结果，符号我们的预期
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文章到这里就结束了，下一篇即将更新