【C++11新特性】右值引用和移动语义
文章目录
- 1. 左值与右值
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- 1.1 左值与右值对比
- 1.2 左值引用与右值引用
- 2. 右值引用的使用场景
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- 2.1 左值引用的短板
- 2.2 右值引用和移动语义
- 2.3 右值引用对左值的引用
- 3. 完美转发
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- 3.1 万能引用
- 3.2 完美转发保持值的属性
1. 左值与右值
1.1 左值与右值对比
左值的概念
左值是一个表示数据的表达式，如变量名或解引用的指针。
- 左值可以被取地址，也可以被修改（const修饰的左值除外）。
- 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。
右值的概念
右值也是一个表示数据的表达式，如字母常量、表示式的返回值、函数的返回值（不能是左值引用返回）等等。
- 右值不能被取地址，也不能被修改。
- 右值可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现在左边。
- 右值本质就是一个临时变量或者常量值，比如代码中的10就是常量值，表达式x+y和函数min的返回值就是临时变量，这些都是右值。
- 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，这里说的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。
而对于左值引用返回的函数来说，这些函数返回的就是左值。比如string实现的[]运算符重载函数。
1.2 左值引用与右值引用
传统的C++语法中就有引用的语法，而C++11中新增了右值引用的语法特性，为了进行区分，将C++11之前的引用叫做左值引用。但是无论左值引用还是右值引用，本质都是给对象取别名。
右值引用
右值引用和左值引用一样，都是给对象取别名。右值引用的符号是 && 。
右值是不能取地址的，但是给右值取别名之后，会导致右值被存储到特定的位置，这时这个右值可以被取地址，并且可以被修改。如果不想让被引用的右值被修改，也可以用const修饰右值。
左值引用可以引用右值吗？
- 左值引用不能引用右值，因为这设计权限放大的问题，右值是不能被修改的，而左值引用是可以修改的。
- 但是const左值引用可以引用右值，因为const左值引用能够保证被引用的数据不会被修改。
因此const左值引用即可以引用左值，也可以引用右值。
右值引用可以引用左值吗？
- 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。
move函数是C++11提供的一个函数，被move后的左值能够赋值给右值引用。
2. 右值引用的使用场景
虽然const左值引用既能接收左值，又能接收右值，但左值引用终究存在短板，而C++11提出的右值引用就是用来解决左值引用的短板的。
为了更好地解决问题，这里需要借助一个深拷贝的类，下面模拟实现了一个简化版的string类。类当中实现了一些基本的成员函数，并在string的拷贝构造函数和赋值运算符重载函数打印了一条提示语句，这样当调用这两个函数时我们就能知道。
namespace ljk
{
class string
{
public:
typedef char* iterator;
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
string(const char* str = "")
{
_size = strlen(str);
_capacity = _size;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
void swap(string& s)
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
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);
}
string& operator=(const string& s)
{
cout << "string& operator=(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s);
swap(tmp);
return *this;
}
~string()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
char& operator[](size_t i)
{
assert(i < _size);
return _str[i];
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity)
{
char* tmp = new char[n + 1];
strncpy(tmp, _str, _size + 1);
delete[] _str;
_str = tmp;
_capacity = n;
}
}
void push_back(char ch)
{
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);;
}
_str[_size] = ch;
_str[_size + 1] = 0;
_size++;
}
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;
};
}
2.1 左值引用的短板
首先我们先看看左值引用的使用场景
- 左值引用作参数，放置传参时进行拷贝操作。
- 左值引用作返回值，放置返回时对返回对象进行拷贝操作。
因为我们模拟实现是string类的拷贝构造函数当中打印了提示语句，因此运行代码后通过程序运行结果就可以知道，值传参时调用了string的拷贝构造函数。
此外，因为string的 += 运算符重载函数是左值引用返回的，因此在返回 += 后的对象时不会调用拷贝构造函数，但如果将 += 运算符重载函数该为传值返回，那么重新运行代码后你就会发现多了一个拷贝构造函数的调用。
我们都知道string的拷贝是深拷贝，深拷贝的代价是很高的，我们应该尽量避免不必要的深拷贝操作，因此这里左值引用起到的作用还是很明显的。
左值引用的短板
左值引用虽然能避免不必要的拷贝操作，但左值引用并不能完全避免。
- 左值引用作参数，能够完全避免传参时不必要的拷贝操作。
- 但是左值引用并不能完全避免函数返回对象时不必要的拷贝操作。
如果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。
C++11提出右值引用就是为了解决左值引用的短板的，但解决方式并不是简单地将右值作为函数的返回值返回。
2.2 右值引用和移动语义
右值引用和移动语句解决上述问题的方式就是，给当前模拟实现的string类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，占位己有，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。
在当前的string类中增加一个移动构造函数，该函数要做的就是调用swap函数将传入的右值的资源窃取过来，为了能够更好得知移动构造函数是否被调用，可以在该函数中打印一条提示语句。
移动构造和拷贝的区别：
- 在没有增加移动构造之前，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。
- 增加移动构造之后，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）。
- string的拷贝构造函数做得到是深拷贝，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。
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转移，而不会再调用拷贝构造函数进行深拷贝了。
说明一下：
- 虽然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，我们可以把这种即将被销毁的值叫做将亡值，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。
编译器做的优化
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拷贝构造我们接收返回值的对象。
因此在C++11标准出来之前，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对会对这种情况进行优化，这种连续调用构造函数的场景通常被优化为一次。
因此按道理来说，在C++11标准出来之前这里应该调用两次string的拷贝构造函数，但最终编译器优化为了一次，减少了一次无意义的深拷贝。（但并不是所有编译器都做了这个优化）
在C++11出来之后，编译器的这个优化仍然起到了作用。
- 如果编译器不优化这里应该调用两次移动构造，第一次移动构造返回的局部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。
- 此外，C++11之后就算编译器没有进行这个优化问题也不大，因为不优化也就是调用两次移动构造进行两次资源的转移而已。
这里需要说明的是，对于返回局部对象的函数，就算只是调用函数而不接收函数的返回值，也会存在一次拷贝构造或者移动构造，因为函数的返回值不管你接不接收都必须要有，而当函数结束之后该函数内的局部对象都会被销毁，所以就算不接收函数的返回值也会调用一次拷贝构造或者移动构造生成临时对象。
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为自己赋值的意思。
在当前的string类中增加一个移动赋值函数，该函数要做的就是调用swap函数将传入右值的资源窃取过来。
STL中的容器
C++11标准出来之后，STL中的容器都增加了移动构造和移动赋值。
以我们刚刚说的string类为例。
这是string类增加的移动构造：
这是string类增加的移动赋值：
2.3 右值引用对左值的引用
右值引用虽然不能引用左值，但也不是完全不可以，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。
move函数的名字具有迷惑性，move函数实际并不难移动任何东西，该函数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。
一个左值被move之后，它的资源可能就被转移给别人了，因此要慎用一个被move后的左值。
3. 完美转发
3.1 万能引用
模板中的的&&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，右值引用需要的是确定的类型，而万能引用是根据传入实参的类型进行推导，如果传入的实参是一个左值，那么这里的形参t就是左值引用，如果传入的实参是一个右值，那么这里的形参t就是右值引用。
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。
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;
}
template <class T>
void PerfectForward(T&& t)
{
Func(t);
}
int main()
{
int a = 5;
PerfectForward(a); // 传入左值
PerfectForward(move(a)); // 传入右值
const int b = 5;
PerfectForward(b); // 传入const左值
PerfectForward(move(b)); // 传入const右值
return 0;
}
运行结果如下：
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。
- 根本原因就是，右值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抓取到地址，并且可以被修改，所以在PerfectForward函数中调用Func函数时会将 t 识别为左值。
也就是说，右值经过一次参数传递之后其属性会退化为左值，如果想要在这个过程中保持右值的属性，就需要用到完美转发。
3.2 完美转发保持值的属性
要想在参数传递过程中保持其原有的属性，需要在传参时调用forward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，这就是完美转发的价值。
、
只要想保持右值的属性，就需要在对万能引用作为实参时进行完美转发，实际STL库也是通过完美转发来保存右值属性的。