深入理解右值引用与移动语义

写在前面

本文主要为大家梳理以下几个问题：

• 什么是右值
• 右值引用的意义与使用场景
• std::move 函数的本质
• 如何编写移动构造函数
• 万能引用与完美转发

参考资料：

1. 《一文读懂C++右值引用与std::move》

2. 《C++高阶知识：深入分析移动构造函数及其原理》

3. 《Value categories》

4. 《C++11的 value category 以及 move semantics》

由于作者才疏学浅，理解欠缺的地方欢迎大家指正

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1. 什么是右值，什么是左值？

 每个 C++ 表达式（包括操作符和其操作数、字面值、变量名等）具有两个独立的属性：类型和值类别：
 类型（type）大家都不陌生，指的是表达式的数据类型，它定义了表达式的取值范围和可执行的操作。例如，一个整数表达式的类型可以是 int，一个浮点数表达式的类型可以是 float。
 值类别（value category）可以理解为表达式的身份和可移动性。根据 C++ 标准，有三种最主要的值类别：右值(rvalue)、左值(lvalue)、将亡值(xvalue)，他们三者的关系如下：

• 身份决定了它是否具有表达式寻址性，即我们是否可以获取其在内存中的地址
• 可移动性如果出现在赋值，初始化等语句中，是否会使语句呈现移动语义

上面说的有些抽象，我们结合具体的例子来分析，根据表现出的特征进行区分:

[右值与右值引用]：

// 以下都是常见的右值
10;
x + y;
fmin(x, y);

// 右值引用
int&& rr1 = 10;
double&& rr2 = x + y;             
double&& rr3 = fmin(x, y); 		  

• 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
• 右值不能放在赋值符号的左边，不信你试试 10 = x + y
• 对右值的引用就是右值引用，用 && 表示
• 不能对右值取地址，不信你试试 int* p = &10;

[左值与左值引用]：

// 以下a、b、pa都是左值
int a = 10;    
int b = a;
int* pa = &a; 

// 左值引用
int& rla = a;

• 左值可以出现在赋值符号的左边和右边
• 可以取它的地址，可以为他赋值

下面来考虑一些疑难问题：

1.1右值引用可以引用左值吗

可以。 std::move() 函数可以将左值强转为右值。没错，就是强制类型转换，我们后面将结合源码具体谈到：

int a = 10;
int&& rr = std::move(a);

1.2 左值引用、右值引用本身是左值还是右值？

 被声明出来的左、右值引用都是左值。因为根据C++语言规范，无论是左值引用还是右值引用，它们都被认为是具名对象，具有地址并且可以寻址。因此，在使用引用时，它们被视为左值。用下面的代码验证：

void check(int&& rr) {
	cout << "Yes" << endl;
}

int main() {
	int a = 5;	       		 // a是个左值
	int& ref_a_left = a;	   	// ref_a_left是个左值引用，本身是左值
	int&& ref_a_right = std::move(a); // ref_a_right是个右值引用，本身是左值

	check(a);              // 编译不过，无法将左值绑定到右值
	check(ref_a_left);     // 编译不过，左值引用ref_a_left本身也是个左值
	check(ref_a_right);    // 编译不过，右值引用ref_a_right本身也是个左值

	check(std::move(a));			// 编译通过
	check(std::move(ref_a_right));  // 编译通过
	check(std::move(ref_a_left));   // 编译通过
}

 右值引用本身是一个左值，那么也就不难理解，为什么右值不可以修改，但是右值引用可以修改：我们并不是修改右值，而是修改右值引用所引用的对象；右值引用是左值，它有自己的标识符和地址。

int&& rr = 10;
rr = 20;

1.3 特殊的 const 左值引用

 const 左值引用比较特殊，它既可以接受左值，也可以接受右值。和右值引用一样， const 左值引用能够延长右值的生命周期，以避免产生悬空引用。下面是cppreference 中的说明：

 当我们将一个右值绑定到 const 左值引用上时，编译器会自动创建一个临时对象，并将该右值绑定到这个临时对象上。这个临时对象的生命周期会与 const 左值引用的生命周期相同，从而确保了在 const 左值引用的作用域内能够安全地使用这个右值。
 这也是为什么经常会看到使用 const& 作为函数参数的原因之一。如果没有const，这样的代码就无法编译通过了：v.push_back(5)

void push_back (const value_type& val);

 

2. 右值引用与移动构造的意义

 左值引用做参数和返回值都可以提高效率。但是左值引用的短板在于，如果引用的对象出作用域销毁，那么就不能使用左值引用了。例如下面的例子中（不考虑编译器优化），hello()函数在返回时，首先会将 "hello world" 拷贝给临时变量。
  这个临时变量本质上属于将亡值，同时具有身份和移动性。在没有移动构造前，s只能把临时变量的内容再拷贝复制一份，而眼睁睁的看着临时变量生命周期到了而销毁 —— 白白浪费！

string hello() {
	return "hello world";
}
string s = hello();

 但是对于一个这个即将被销毁的对象，我们为什么不聪明点，直接将其中的资源占为已有呢？将对方资源所有权转移过来，这就是移动构造的核心思想。如何转移？可以直观理解为指针做一个交换：

namespace my{
	string(string&& s)
	    :_str(nullptr) ,_size(0), _capacity(0){
        swap(str_, s.str_)        // 所有权转移 
	}
};

 注意，移动构造后一定要将原对象中的指针置为空，否则一块空间会被 delete 两次。而对于 nullptr, delete 多次也没有影响。

 既然移动构造这么香，那么我们进一步想，哪些资源可以被移动构造？C++的设计者们注意到，大多数情况下，右值所包含的对象都是可以安全的被移动的。

 那么问题来了，我们如何显式告诉编译器我们要接收一个右值呢？在C++11之前，只有 const 修饰的左值引用才能接收右值，这可是个大问题啊，你都被const修饰了，我还怎么“偷”你的资源呢？顺着这个逻辑思考，右值引用的出现也是一个必然，它为移动构造的出现洒下了肥沃的土壤。

 接下来我们来手动实现下移动构造函数

 

3. 移动构造函数的使用

namespace my {
	class string {
	public:
		string() : len_(0), cap_(0), data_(nullptr) {}

		string(const char* s) {
			// 略
		}

		string(const my::string& s) {
			cout << "拷贝构造函数" << endl;
			// 略
		}
		
		my::string& operator=(const my::string& s) noexcept {
			cout << "赋值运算符重载" << endl;
			// 略
		}
		
		string(my::string&& s) {
			cout << "移动构造函数" << endl;
			len_ = s.len_;
			cap_ = s.cap_;
			swap(data_, s.data_);
		}

		my::string& operator=(my::string&& s) noexcept{
			cout << "移动赋值运算符重载" << endl;
			len_ = s.len_;
			cap_ = s.cap_;
			if (data_) {
				delete data_;
				data_ = nullptr;
			}
			swap(data_, s.data_);
			return *this;
		}

	private:
		char* data_;
		int len_;
		int cap_;
	};
};

STL库中基本都支持了移动构造和移动赋值，例如string等等

string (string&& str) noexcept;
string& operator= (string&& str) noexcept;

swap函数也是

 给大家分享一个我初学时容易犯的错误：我们仍然沿用上面实现的 my::string类做测试，大家觉得 s = t.s 中有没有调用移动赋值呢？

class test {
	public:
		test() {}
		// ……
		test(test&& t) {
			s = t.s;
		}

	private:
		my::string s;
	};

答案是并没有。虽然t是一个右值，但是t.m确实是一个左值：

4. move的实现原理

 刚开始学习 std::move，大家总是容易对move函数抱有误解，认为move函数完成了内存上资源的移动，然而实际上move完成的工作只是强制类型转换，我们来看看相应的源码：

template <typename T>
typename remove_reference<T>::type&& move(T&& t)
{
    return static_case<typename remove_reference<T>::type&&>(t);
}

 虽然细节上我们并不了解，但我们大致可以看出 move 就是完成了强制类型转换的工作。为了更加透彻的理解，我会为大家说明其中的细节

• 在模板中，&& 并不是代表右值引用，而是万能引用。它既可以接收左值，也可以接收右值。

• 这个返回值 typename remove_reference::type&& 是什么意思呢？type是定义在 remove_reference 中的类型成员，因此访问它时也与访问静态成员一样用::访问，而该类是一个模板类，所以在它前面要加typename关键字。

• remove_reference 从它的名字也可以看出，它是通过模板去除引用
  

• 我们假定T为int&，即传入左值，那么最后可以将上面的代码简化成如下的形式：

  int && move(int& && t){
      return static_case<int&&>(t);
  }
  

• 遇到 int& && 的时候，会发生引用折叠，折叠的规则如下图所示：
  

• 所以最终move其实就做了这么一件事：

  int && move(int& t){
      return static_case<int&&>(t);
  }
  

5. 完美转发

 我们前面谈到，在模板中，&& 既可以接收左值，也可以接收右值，但是当我们在函数内部，将val 传递给另一个函数的时候，val将发生退化。此时，val总是是被当作左值进行传递的。

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 = 10;
	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
}

• 为了保持参数原有的左右值属性，我们需要使用std::forward<模板参数>()函数来实现完美转发：
  

• 注意！为了保持参数原有的左右值属性，所有的向下转发都需要实现完美转发：