【C++11】右值引用和移动语义
文章目录
- 1. 左值引用和右值引用
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- 1.1 什么是左值？什么是左值引用？
- 1.2 什么是右值？什么是右值引用？
- 1.3 注意
- 1.4 思考
- 2. 左值引用与右值引用总结
- 3. 右值引用的使用场景和意义
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- 3.1 左值引用的使用场景
- 3.2 左值引用的短板
- 3.3 右值引用和移动语义解决上述问题（移动构造）
- 3.4 move的使用
- 3.5 移动赋值
- 4. 用到的代码
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- 4.1 string.h
- 4.2 Test.cpp
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，所以从现在开始我们之前学习的引用就叫做左值引用。
无论左值引用还是右值引用，都是给对象取别名。
1.1 什么是左值？什么是左值引用？
那到底什么是左值？什么是左值引用呢？
左值是一个表示数据的表达式（如变量或解引用的指针），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，也可以出现在赋值符号的右边。（定义时const修饰符后的左值，不能给他赋值，但是可以取它的地址，所以也是左值）
左值引用就是对左值的引用，给左值取别名。
比如：
其实就是我们之前学习的引用。
1.2 什么是右值？什么是右值引用？
那右值又是什么呢？右值引用又是什么呢？
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(一般是传值返回，不能是左值引用返回)等等，右值只能出现在赋值符号的右边，不能出现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。
比如：
1.3 注意
需要注意的是：
右值不能取地址，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。
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。
1.4 思考
左值引用可以给右值取别名（引用右值）吗？
一般情况下是不能的
这样是不是权限放大啊（运算结果一般也放到临时变量里面存一下，临时变量具有常性）
所以我们加一个const就行了
那右值引用可以给左值取别名（引用左值）吗？
是不行的。
但是
右值引用可以给move之后的左值取别名。
那move是啥呢？
move是库里面的一个函数，它可以把传入的参数arg转换为右值引用（移动语义）
大家先了解一下，move我们后面还会说。
2. 左值引用与右值引用总结
我们再来总结一下
左值引用总结：
- 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
右值引用总结：
- 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。
那从上面的内容来看：
左值引用其实既可引用左值，也可引用右值（加const就行了）
那为什么还要搞出右值引用来呢？有什么意义呢？
3. 右值引用的使用场景和意义
前面我们可以看到左值引用既可以引用左值和又可以引用右值，那为什么C++11还要提出右值引用呢？是不是画蛇添足呢？
下面我们来看看左值引用的短板，右值引用是如何补齐这个短板的！
3.1 左值引用的使用场景
左值引用做参数和做返回值都可以提高效率
比如：
3.2 左值引用的短板
首先这里我们自己来造一个string，因为直接用库里面的string不好观察：
#pragma once
namespace bit
{
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);
}
// 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;
}
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
};
}
大家可以先看一下上面的string，都实现了哪些功能，这里没有实现的太全
那么右值引用的短板：
但是当函数返回对象是一个局部变量，出了函数作用域就不存在了，就不能使用左值引用返回，只能传值返回，这种情况就不能避免拷贝的消耗。
比如：
首先，针对上面的string，我们再补充一个+ 的重载（string+字符）
大家看，+这个函数返回的就是局部对象，所以不能返回引用。
那这种情况我们之前说过，由于tmp这个局部对象函数调用结束就销毁了，所以这里会产生一个临时对象（是tmp的拷贝）作为返回值。
然后main函数里面我这样写：
在分析上面的情况之前，再给大家补充一点：
就算有些地方会把右值分为两种——纯右值和将亡值
一般可以认为内置类型的右值是纯右值，自定义类型的右值是将亡值。
怎么理解将亡？
就是将要死亡，即即将被销毁的右值。一般对于将亡值我们可以直接转移它的资源来减少拷贝的消耗。（将亡值一般是针对自定义类型去谈的，因为一般自定义类型才需要考虑提高效率这些概念。所以上面才说一般认为自定义类型的右值是将亡值，且一般是深拷贝的自定义类型。）
然后我们来分析一下上面给出的场景
先看一下运行结果
看，首先第一个ret1=s，这其实是一个拷贝构造嘛，那对于string要深拷贝，这没什么问题。
那对于第二个我们看到打印了两个深拷贝。
，那第一个其实是重载+的函数里面进行的
那然后这里值返回所以会产生一个临时对象，然后这个临时对象再拷贝给ret2（调拷贝构造），所以两个深拷贝。
但是：
对于第二个来说：
s + '!'
按照我们上面说的他是不是就是一个将亡值啊（这里是一个临时对象保存返回值，然后它赋给ret2之后就销毁了）。
那大家想，对于一个将亡值，我们还有没有必要再去拷贝它。
其实没必要，针对这样的情况我们可以对它做一个单独的处理。
3.3 右值引用和移动语义解决上述问题（移动构造）
那首先我们要把这两种不同情况区分开来，因为对于将亡值我们不想再调拷贝构造了：
那首先右值引用的出现呢就使得我们可以把这两种情况区分开来。
因为上面这两种情况一个是左值一个是右值
那分开之后对于将亡值的右值我们可以怎么处理呢？
，上面说了对于将亡值我们可以直接移动它的资源——移动拷贝
所以我们可以重载一个移动拷贝的函数
具体怎么做呢？
我们直接把把这个右值交换给我们要构造的string对象就行了，相当于进行资源的转移，就减少了拷贝，反正你这个将亡值马上就要被销毁了。
我们再来运行看看
这次没有调用深拷贝的拷贝构造，而是调用了移动构造，移动构造中没有新开空间，拷贝数据，所以效率提高了。
在bit::string中增加移动构造，移动构造本质是将参数右值的资源窃取过来，占为已有，那么就不用做深拷贝了，所以它叫做移动构造，就是窃取别人的资源来构造自己。
库里面其实C++11之后就给容器都增加了这个：
3.4 move的使用
还是上面这个场景：
如果对于ret1的拷贝构造我也想使用资源转移的移动构造来让s构造ret1呢？
但是s是左值啊。
，这时我们就可以使用上面提到的move函数了
看这次就没有调深拷贝了，而是移动拷贝
那s的资源是否真的被转移走了呢？
我们来看一下
没有问题，确实如此。
但是这样如果我们后面使用s它就为空了，所以也不能随便使用move，在合适的场景下应用
move函数的参数是一个通用引用（universal reference），既可以接受左值类型，也可以接受右值类型。返回值是传递进来的参数的右值引用
move只是返回值为右值引用，并不会真正改变参数的属性。它的作用是告诉编译器，我们希望对该对象执行移动操作，以便能够使用移动构造函数或移动赋值运算符。
3.5 移动赋值
不仅仅有移动构造，还有移动赋值
我们来看一个对应的场景：
给上面的string增加一个to_string函数
然后我们先看一段这样的代码
用to_string来拷贝构造一个string对象
我们来分析一下，如果是C++98，没有右值引用的情况下，应该是这样的
这种类似的情况我们之前是分析过的，就不多说了。
那C++11有了右值引用之后呢？现在我把移动构造放开（注释取消掉）
那这里编译器肯定优化了，应该是这样的
那大家看，不考虑优化的话：
首先to_string返回str，str是一个局部对象（在函数里面str肯定是一个左值），所以这里会产生一个临时对象，这个临时对象是一个将亡值，所以它会去移动构造valStr。
那优化的话就直接拿str去构造valStr，但是！
欸？
我们发现优化之后是一个移动构造。可是！在这个函数里面str是一个左值啊，它是一个可以取地址的变量。
所以这里编译器其实做了一件事情：
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，直接把资源转移给了valStr（肯定是在str析构之前）。
所以这样的话没优化之前就应该是两次移动构造
现在优化之后只需一次移动构造
然后我们来说移动赋值：
现在我把代码变成这样：
先定义一个string对象，然后把to_string的返回结果赋值给string对象s1
现在我还没有写移动赋值，string里面的赋值重载还是我们之前学的深拷贝的赋值
我们来运行一下看看
是这样的一个结果。
首先第一个移动拷贝就是我们上面分析的，返回值str被识别成了右值，直接移动构造临时变量，然后临时变量赋值给了s1
为什么后面打印两次深拷贝？
因为我们的赋值重载里面复用了拷贝构造。
但是，对于这里to_string返回产生的临时变量，他也是一个将亡值啊，所以我们没必要进行深拷贝的赋值，就可以直接进行移动赋值：
直接转移资源
然后我们再来运行看看
这样就减少了深拷贝，提升了效率。
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（一般连续的构造或连续的拷贝构造才会优化，这里是一个拷贝构造+赋值）。
bit::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。然后再把这个临时对象做为bit::to_string函数调用的返回值赋值给ret1，这里调用的移动赋值。
C++11给STL中的容器都增加了移动构造和移动赋值。
其它容器我就不一一截图了
那除了移动构造和移动赋值其实C++11还给容器的插入接口函数也增加了右值引用版本，我们后续文章继续进行讲解…
4. 用到的代码
4.1 string.h
#pragma once
namespace bit
{
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);
}
// 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);
}
// 移动构造
string(string&& s)
:_str(nullptr)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动拷贝" << endl;
swap(s);
}
// 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;
}
string operator+(char ch)
{
string tmp(*this);
tmp += ch;
return tmp;
}
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;
}
}
4.2 Test.cpp
#include 