在C++11之前,使用的引用都是左值引用,C++11后退出了右值引用,无论是左值引用还是右值引用本质都是起别名。
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(如变量命或者解引用的指针),我们可以获取它的地址,可以对他赋值,左值可以出现在赋值符号的左边也可以出现在赋值符号的右边,定义时const修饰符后的左值,不能给它赋值,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。
什么是右值?什么是右值引用?
右值是表示数据的表达式,如:字面量,表达式的返回值,函数的返回值(这里指的是传值返回),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,不能对其赋值。
右值引用是对右值的引用,给右值取别名。
int Add(int x, int y) { return x + y; }
int main()
{
int&& ref1 = 10; //10这个字面量就是一个右值
int&& ref2 = 10 + 20; //表达式的返回值也是右值
int&& ref3 = Add(30, 50); //传值返回的函数的返回值也是右值
//下面的例子会报错,右值是不能出现在赋值符号的左边的
10 = 1;
Add(10, 20) = 80;
return 0;
}
对于左值引用:
1,左值引用只能引用左值,不能引用右值。
2,const左值引用既能引用左值,也能引用右值。
int main()
{
int x = 10;
int y = 20;
//左值引用引用左值
int& ref1 = x;
int& ref2 = y;
//const左值引用引用左值
const int& ref3 = x;
const int& ref4 = y;
//const左值引用引用右值
const int& ref5 = x + y;
const int& ref6 = 10;
return 0;
}
对于右值引用:
1,右值引用只能引用右值,不能引用左值。
2,右值引用可以引用move之后的左值。
int Add(int x, int y) { return x + y; }
int main()
{
int x = 10;
int y = 20;
//右值引用引用右值
int&& ref1 = 10;
int&& ref2 = Add(x, y);
//右值引用引用move以后的左值
int&& ref3 = std::move(x);
int&& ref4 = std::move(y);
return 0;
}
右值引用真正的意义是配合移动语义来减少资源的拷贝,在C++11之前,我们可以通过左值引用来减少资源的拷贝,例如:函数传参时尽量传引用,对于某个函数要返回的对象如果出了函数作用域不会销毁,那么尽量返回这个对象的引用进而减少拷贝。
仍然还有些场景是不能通过左值引用解决的,例如函数对于局部对象的传值返回等等,对于这些场景在C++11之后,可以通过右值引用搭配移动语义来减少资源的拷贝。
下面为了方便演示,模拟实现了一个string类。
namespace gy
{
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)
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
// 拷贝构造
string(const string& s)
:_str(nullptr)
{
cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s._str);
swap(tmp);
}
// 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;
}
// 移动构造
string(string&& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;
swap(s);
}
// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;
swap(s);
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
};
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;
}
}
将上面的移动构造和移动赋值注释掉,也就是C++11之前的场景。
gy::string str1 = gy::to_string(1000);
to_string这个函数就是传值返回的函数,对于传值返回的函数,返回的不是函数内的那个局部对象,而是对局部对象的拷贝(局部对象出了作用域就会被销毁),在编译器优化之前,应该先调用一次拷贝构造,使用str构造出一个临时对象,然后再调用一个拷贝构造,用这个临时对象对构造str1这个对象,但是编译器对于这种连续的拷贝构造,或者是连续的拷贝构造和构造,会有优化,将他们合二为一,对于上面这个例子就会被优化为一次拷贝构造,就是直接用str去拷贝构造出str1对象。
gy::string str2;
str2 = gy::to_string(1000);
对于赋值而言,首先会调用一次拷贝构造,用局部对象拷贝构造出一个临时对象,然后,会再调用一次拷贝的赋值用临时变量对str2进行拷贝赋值,目前的编译器对这种情况是没有做出优化的。
截图中出现了两次拷贝构造,是因为在实现拷贝赋值的时候复用了拷贝构造。
C++11之后,有了移动赋值和移动构造。
移动构造本质就是将参数右值的资源窃取过来,占为己有,那么就不会再做深拷贝了,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
string(string&& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;
swap(s);
}
// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;
swap(s);
return *this;
}
gy::string str1 = gy::to_string(1000);
string类中添加了移动构造,to_string函数返回的是一个右值,它即能匹配string类的拷贝构造,也能匹配移动构造,但是编译器会选择最匹配的那个,也就是这是会去调用移动构造。编译器优化之前,首先做的是用局部对象拷贝构造出一个临时对象,再用这个临时对象去移动构造出str1,编译器优化后会直接用str这个局部对象去移动构造str1。
有些书籍上把右值分为:纯右值和将亡值,对于内置类型的字面量就是纯右值,而像to_string函数返回的临时对象就是将亡值,上面那个例子能优化为一个移动构造,就是编译器把str这个局部变量识别成了将亡值,直接用这个将亡值去移动构造出str1。
可能有的人会有疑问?str这个局部对象出了作用域就会被销毁了,资源已经被释放了,怎么去移动构造出str1的呢?起始编译器会先调用移动构造去构造出str1,然后再调用str对象的析构函数。
第一步:
第二步:
移动赋值的本质就是将自己的资源与参数右值的资源做交换,来减少深拷贝,右值对象析构时会将原本自己的资源释放掉。
gy::string str2;
str2 = gy::to_string(1000);
由于string类提供了参数为右值引用的赋值函数,所以对于上图中函数返回的临时对象会去调用移动赋值来对str2对象进行赋值。在编译器优化之前,首先将to_string函数内部的局部对象str拷贝构造出一个临时对象用于函数的返回,再用这个临时对象去移动赋值给str2对象,编译器优化之后会将str识别为一个将亡值,会直接用str对象的资源去移动构造出一个临时对象,再用这个临时对象去移动赋值给str2。
其实对于函数内部局部对象传值返回的函数,如果函数内部的局部对象对应的类存在移动构造,编译器都会做一个优化就是,不再去调用拷贝构造去深拷贝出一个临时对象,而是直接将这个局部对象识别为将亡值,去移动构造出一个临时对象。
int main()
{
gy::to_string(100);
return 0;
}
上面的例子不是能很好的体现出移动赋值的本质:是将参数右值的资源窃取过来,将自己的资源交还给右值,右值对象析构的时候会自动销毁之前属于自己的资源。
int main()
{
gy::string str1("hello world");
gy::string str = std::move(str1);
return 0;
}
在C++11之后,STL容器的insert接口或者push接口,都提供了参数为右值引用的版本,可以减少深拷贝。
int main()
{
list<gy::string> lt;
lt.push_back("hello world");
return 0;
}
在C++11之前,上面这种情况,首先将“hello world”调用string的构造函数来隐式类型转换为string类的对象,list中new一个结点在存储string类对象的时候,又会调用一次拷贝构造。
在C++11之后,支持了push_back参数为右值的情况,“hello world”字符串隐式类型转换出的匿名对象就是一个右值,会去调用list的参数为右值引用的push_back,那么在list内部new一个新的结点去存储string类对象的时候,就会去利用这个匿名对象这个右值去移动构造list结点中的string对象。
左值引用是直接减少了拷贝次数。
右值引用是配合移动语义来减少拷贝次数。
右值引用搭配移动语义针对的是存在深拷贝的自定义类型,因为对于自定义类型但不涉及深拷贝的类或者内置类型,就不会涉及到资源的窃取。
需要注意的是右值是不能取地址的,但是给右值取别名后,会导致右值存储在一个特定的位置,且可以取到该位置的地址。也就是说一个右值引用一旦引用了右值之后,其属性就会变成左值。
int main()
{
int&& ref = 10;
ref = 20;
cout << ref << endl;
return 0;
}
这就会引发新的问题,对于一个右值可能要经过多层的传参采用到其右值的属性,但经过一次右值引用的传参后,在接下来的过程中这个右值的别名的属性就变成左值了。也就是说右值在随着参数的传递会丢失其右值的属性。
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; }
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;
}
模板中的&&不再代表右值引用,它既能引用右值,也能引用左值,被称为万能引用。
可以看到全是左值引用,这里就出现右值属性丢失的问题,可以使用完美转发来维持其右值的属性std::forward
。
void PerfectForward(T&& t)
{
Fun(std::forward<T>(t));
}
可以看到这就达到了我们想要的结果。
由此可见STL库中,为了支持参数为右值引用的insert或者push等函数,在其内部必定是存在大量的完美转发来维持右值的属性。下面我们来模拟实一下:
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode* _next = nullptr;
ListNode* _prev = nullptr;
T _data;
struct ListNode(const T& t)
:_data(t)
{}
struct ListNode(T&& t)
:_data(std::forward<T>(t))
{}
};
template<class T>
class List
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
List()
{
_head = new Node(T());
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
void PushBack(T&& x)
{
Insert(_head, std::forward<T>(x));
}
void PushFront(T&& x)
{
Insert(_head->_next, std::forward<T>(x));
}
void Insert(Node* pos, T&& x)
{
Node* prev = pos->_prev;
Node* newnode = new Node(std::forward<T>(x));
// 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(x);
// prev newnode pos
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = pos;
pos->_prev = newnode;
}
private:
Node* _head;
};
int main()
{
List<gy::string> lt;
lt.PushBack("1111");
lt.PushFront("2222");
return 0;
}
在C++11之前,默认成员函数是六个:
1,构造函数
2,拷贝构造
3,赋值运算符重载
4,析构函数
5,取地址重载
6,const取地址重载
但是在C++11之后由于存在了移动构造与移动赋值,默认成员函数由原来的6个变成8个。
针对移动构造和移动赋值有一些注意点如下:
class Person
{
public:
Person(const char* name = "", int age = 0)
:_name(name)
, _age(age)
{}
/*Person(const Person& p)
:_name(p._name)
,_age(p._age)
{}
Person& operator=(const Person& p)
{
if(this != &p)
{
_name = p._name;
_age = p._age;
}
return *this;
}
~Person()
{}*/
private:
gy::string _name;
int _age;
};
int main()
{
Person s1;
Person s2 = s1;
Person s3 = std::move(s1);
Person s4;
s4 = std::move(s2);
return 0;
}
上面的Person类中包含两个成员变量,一个是内置类型,一个是自定义类型并且自定类型的成员实现了西东构造和移动赋值,并且Person类没有自己实现析构函数,拷贝构造,拷贝赋值中的任意一种,所以编译器会默认生成移动构造和移动赋值。
default关键字是让编译器强制生成某个默认成员函数,对于上面Person类的例子,如果实现了构造函数,拷贝赋值,析构函数中的任意一种,那么编译器就不会默认生成移动构造和移动赋值了。
但是,可以使用default关键字,让编译器强制生成移动构造和移动赋值。
Person(Person&& p) = default;
Person& operator=(Person&& p) = default;
如果想限制某些默认成员函数的生成,在C++98中,通常将该成员函数设置为private,并且只提供声明。C++11后提供了delete关键字,只需要在函数声明后加上=delete即可,该语法就会提示编译器不生成对应函数的默认版本。
delete关键字广泛的应用于某些不想被拷贝的类中,例如IO流类。