【C++11】右值引用、移动构造、移动赋值、完美转发 的原理介绍

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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，所以我们管之前的引用叫做左值引用。无论左值引用还是右值引用，都是给对象取别名。

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一、概念

1.1 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)，通俗的理解就是，能取到地址的就是左值；

• 正常情况下我们可以对左值赋值，定义 const 修饰后的左值，不能给它赋值，但是可以取出它的地址；

• 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；

• 左值具有持久的状态。

// 常见的左值
int a = 0;
int b = 1;
int* p = &a;
const int c = 3;

1.2 左值引用

• 左值引用：就是对左值的引用，相当于给左值取别名。
• 左值引用只能引用左值，不能直接引用右值；但是 const 左值引用可以引用右值。
• 左值引用符号 &

// 左值引用给左值取别名
int& ref1 = a;

// 左值引用给右值取别名
// int& ref2 = (a + b);			// err...(a+b)返回的是临时对象，临时对象具有常性，出现权限放大问题
const int& ref2 = (a + b);		// 加 const 就行了

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1.3 什么是右值？

• 右值也是一个数据表达式，右值是 字面常量 或者是 求值过程种创建的临时对象；

• 对于右值，不能取出地址，不能对它赋值；

• 右值的生命周期是短暂的，如：字面常量，表达式返回值，函数返回值（不是左值引用的返回值），临时变量，匿名对象…；

// 右值
a + b;
func(x,y);
10;
"abcd";

1.4 什么是右值引用？

• 右值引用相当于给右值起别名，右值引用只能右值，除非左值 move 后，可以对其进行右值引用；
• 右值是没有地址的，但是右值引用后，这个右值引用会被存到特定的位置，且可以取到该值的地址，也就是说 右值引用值是一个左值。
• 右值引用会开辟一块空间去存右值，普通的右值引用可以修改这块空间，const 的右值引用则不可以被修改。
• 右值引用符号 &&

move()：标准库中的函数，可以将左值强制转换为右值

// 右值引用给右值取别名：
int&& ref3 = (a + b);			

// 右值引用不能给左值起别名：
//int&& ref4 = a;		// err

// 右值引用可以 给 move 后的左值取别名：
int&& ref4 = move(a);

对于参数左值还是右值的不同，是被重载支持的

//void func(const int& a)	// 这样虽说都可以使用，但是区分不了左值和右值
void func(int& a)
{
	cout << "void func(int& a)" << endl;
}

void func(int&& a)
{
	cout << "void func(int&& a)" << endl;
}

int main()
{
	int a = 0;
	int b = 1;
	func(a);
	func(a + b);
	return 0;
}
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输出结果：
void func(int& a)
void func(int&& a)

左值引用的使用场景 和 缺陷

左值引用可以直接减少拷贝。应用如下：

1. 左值引用传参；
2. 传引用返回。

左值引用解决了大多数场景的问题，但也存在一些解决不了的问题:

1. 局部对象返回问题；
2. 对象深拷贝问题。

C++11 前，对于带指针的容器（比如 string）会进行深拷贝，深拷贝的目的是让赋值和被赋值的对象，都正常保存并使用数据互不影响，代价比较高。而如果被拷贝对象是右值，右值本不需要留存浅拷贝就可以，但还是进行了深拷贝，是很不划算的。

ttang::string s1("hello world");

ttang::string ret1 = s1;		// 左值拷贝
ttang::string ret2 = (s1+'!');	// 右值拷贝,如果也是深拷贝，很不划算
// 实际上右值拷贝，C++11使用的是移动拷贝构造，是浅拷贝
// 可以很大程度的优化右值的拷贝效率

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二、移动语义

2.1 移动拷贝构造

移动拷贝构造函数跟构造函数一样，参数需要是一个本身类型的对象，但 移动拷贝构造函数的参数是一个该类型的右值引用。

所谓移动，是数据交换。移动拷贝函数创建出一个新对象，将新对象中的值都设置为 0，接下来与传进来的右值对象进行资源交换。

// 移动拷贝构造
string(string&& s)
	:_str(nullptr),
	_size(0),
	_capacity(0)
{
	swap(s);
}

• 根据函数匹配规则，如果调用拷贝构造对象的时候传的是左值，编译器会自动匹配到拷贝构造函数，如果传的是右值，那么就会匹配到移动拷贝函数。

• 使用移动拷贝构造函数后，源对象指向资源就被交换出去，这些资源的所有权都归属到了新对象。
  因此，如果源对象是一个长期存在的对象的时候，需要谨慎使用移动拷贝构造函数。调用移动拷贝构造函数创建出 s3，s1 的资源被转移到了 s3，s1 中没有指向任何资源，所以就不能通过 s1 去寻找之前的资源。

• 如果只是调用 move() 函数，而不对其返回值进行接收，是不会改变传入值的内容的。

std::string s1("hello");

// 拷贝
std::string s2 = s1;
// 移动（s3 里面存了“hello”，而 s1 空了）
std::string s3 = move(s1);

// 只是这样不接受其返回值，是不会改变s2的
move(s2);
std::string s4 = s2;

一些使用举例：

list<ttang::string> lt;

ttang::string s1("hello world");		
lt.push_back(s1);							// 深拷贝
lt.push_back(move(s1));						// 移动

lt.push_back(ttang::string("hello world"));	// 移动，匿名对象也是右值
lt.push_back("hello world");				// 移动

总的看来：

• 左值引用减少拷贝，右值引用也是减少拷贝，提高效率；
• 但是他们的角度不同，左值引用是直接减少拷贝；右值引用是间接减少拷贝，通过函数重载，识别出是左值还是右值，如果是右值，则不再深拷贝，直接移动拷贝，提高效率。

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2.2 移动赋值

对于初始化：

• 如果 string 类中只有一个移动拷贝构造函数，那么函数返回值构造临新对象的时候，那么只需要调用一次 移动拷贝构造 函数将资源转移给新对象。

对于已经初始化过的对象进行赋值：

• 那么就会调用一次 移动拷贝构造 函数和一次 赋值重载 函数，赋值重载函数也是进行深拷贝的。

因此，为了解决赋值重载的深拷贝的问题，我们还需要再实现一个移动赋值重载函数，移动赋值重载 函数跟拷贝构造函数一样，都是 解决深拷贝的问题，都是进行转移资源。

移动赋值重载函数跟赋值重载函数的定义是类似的，只是移动赋值重载函数的参数是右值引用，是为了让右值能够调用该函数，如下：

// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
	swap(s);
	return *this;
}

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三、右值引用 与 STL

综上推演，C++11 为很多容器都增加了 移动拷贝构造函数 和 赋值重载函数的右值引用版本，包括 push_back 或者 insert 接口也增加了右值引用 的重载。

3.1 移动拷贝构造 和 赋值重载

3.2 插入接口

上面的文档中，insert 和 push_back 可以接收 const 左值引用，也就是说这个函数既可以接收左值，也可以接受右值，那么为什么还需要多定义一个参数是右值引用的函数重载呢？

• 因为，我们说了左值引用可以接收右值但是相应的拷贝任然是深拷贝，重载右值引用版本正是为了优化这一点。
• 再梳理一下传入右值的流程：如果调用 vector 中 insert 时，传的参数是右值，那么就会编译器就会匹配到右值引用参数的 insert 的重载函数，因为 insert 函数内部会对该参数值进行赋值重载到 vector 内，如果是右值，那么就会调用移动拷贝构造函数，所以可以避免深拷贝的出现。

vector<string> v;
string str("hello");
v.insert(v.end(), str);	// str 是左值，深拷贝
v.insert(v.end(), string("hello~"))	// string("xx") 是匿名对象，调用右值版本

• 因此，我们在赋值、构造、以及调用 insert、push_back、时，如果涉及深拷贝的问题，尽量传右值（匿名对象），这样可以减少深拷贝的问题。

3.3 完美转发、万能引用

完美转发

关于右值引用本身的属性，举例：

int&& a = 10;
cout << &a << endl;	// a 可取地址
a++;				// a 可修改

右值引用的 a，虽然是通过右值得到的，但 a 本身是左值！！！

进一步举例：

void insert(iterator pos, const T&& val)
{
	//...
	*pos = val;	// val 是左值，调用的是赋值重载
	++_end;
}

很明显的，在上面调用参数是右值引用的 insert 接口中存在一个问题，如果右值引用 val 去接受一个右值，那么这个 val 就会退化成一个左值。所以 *pos = val; 这一步调用的还是重载函数，不是移动拷贝构造。因此，为了保持 val 是一个右值，有一个专门的写法：

std::forward(val)：它可以在传参的时候保持 val 原生属性，也就是可以保持其右值属性，因此，这样可以保证 *pos = val; 调用的会是移动赋值重载函数。

这种调用 std::forward(val)，使得 val 保持原生属性的过程就是 完美转发，写成如下：

void insert(iterator pos, const T&& val)
{
	//...
	*pos = std::forward<T>(val);	// 保持了 val 的右值属性！调用的就是其移动赋值函数
	++_end;
}

万能引用

万能引用 又叫 引用折叠，使用 && 进行定义或申明。万能引用定义的参数，即可以对左值引用，也可以对右值引用。

使用场景：函数模板的形参 和 auto 声明

template<typename T> 
void f(T&& param);   //param是个万能引用

auto && var2 = var1;

以上两种场景的共同之处，在于它们都涉及类型推导。

下面这两种只是普通的右值引用：

template<typename T> 
void f(std::vector<T>&& param); // param 是右值引用

template<typename T> 
void f(const T&& param);   		// 加 const 则是右值引用

对于万能引用和右值引用的区分，不必过多纠结~ 能用就行。

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)	// 这里面用这个右值转化的左值 t 可以，但是再转一层就会出问题
{
	Fun(forward<T>(t));		// 不加完美转发的话，会全是左值引用！！！
}

int main()
{
	int a;
	PerfectForward(a);            // 左值
	PerfectForward(std::move(a)); // 右值
	PerfectForward(10);           // 右值
	const int b = 8;
	PerfectForward(b);		      // const 左值
	PerfectForward(std::move(b)); // const 右值

	return 0;
}

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