C++11【右值引用，移动语义，完美转发】
文章目录
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- 左值引用和右值引用
- 左值引用与右值引用比较
- 右值引用使用场景和意义
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- 左值引用的使用场景
- 左值引用的短板
- 右值引用和移动语义
- 右值引用引用左值及其一些更深入的使用场景分析
- 完美转发
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- 万能引用
- std::forward 完美转发在传参的过程中保留对象原生类型属性
- 完美转发实际中的使用场景：
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。
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(如变量名或解引用的指针)。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，右值不能出现在赋值符号左边。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。 左值引用就是给左值的引用，给左值取别名。
左值引用就是对左值的引用，给左值取别名，通过“&”来声明。
int main()
{
// 以下的p、b、c、*p都是左值
int* p = new int(0);
int b = 1;
const int c = 2;
// 以下几个是对上面左值的左值引用
int*& rp = p;
int& rb = b;
const int& rc = c;
int& pvalue = *p;
return 0;
}
什么是右值？什么是右值引用？
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，右值可以出现在赋值符号的右边，但是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。****
右值引用就是对右值的引用，给右值取别名，通过“&&”来声明。
int main()
{
double x = 1.1, y = 2.2;
// 以下几个都是常见的右值
10;
x + y;
fmin(x, y);
// 以下几个都是对右值的右值引用
int&& rr1 = 10;
double&& rr2 = x + y;
double&& rr3 = fmin(x, y);
// 这里编译会报错：error C2106: “=”: 左操作数必须为左值
10 = 1;
x + y = 1;
fmin(x, y) = 1;
return 0;
}
1.右值的本质就是一个临时变量或者常量值。
2. 右值不能被取地址是因为临时变量或者常量值没有被存储起来，只有被存储起来才有地址
3. 函数返回值指的是传值返回，因为船只返回返回的是拷贝，是一个临时变量。
注意：右值是不能被取地址的，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，但是用rr1引用后，可以对rr1取地址，并且可以修改rr1，如果不想被修改，可以用
const int&& rr1引用。
左值引用与右值引用比较
左值引用总结：
1.左值引用只能引用左值，不能引用右值。
2.但是const左值引用可以引用左值，也可以引用右值。
int main()
{
// 左值引用只能引用左值，不能引用右值。
int a = 10;
int& ra1 = a; // ra为a的别名
//int& ra2 = 10; // 编译失败，因为10是右值
// const左值引用既可引用左值，也可引用右值。
const int& ra3 = 10;
const int& ra4 = a;
return 0;
}
右值引用总结：
1.右值引用只能引用右值，不能引用左值。
2.但是右值引用可以引用move后的左值。
int main()
{
// 右值引用只能右值，不能引用左值。
int&& r1 = 10;
// error C2440: “初始化”: 无法从“int”转换为“int &&”
// message : 无法将左值绑定到右值引用
int a = 10;
int&& r2 = a;
// 右值引用可以引用move以后的左值
int&& r3 = std::move(a);
return 0;
}
注意：move不会改变当前变量的属性，move的返回值是右值。
C++11中，std::move()函数位于 头文件中，该函数名字具有迷惑性，它并不搬移任何东西，唯一的功能就是将一个左值强制转换为右值引用，然后实现移动语义。
右值引用使用场景和意义
对于左值引用既可以引用左值也可以引用右值，C++11还要提出了右值引用，实际上左值引用也存在短板，右值引用是用来补齐短板的。
为了更好的说明问题，模拟实现一个string：
namespace nzq
{
class string
{
public:
typedef char* iterator;
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
//构造函数
string(const char* str = "")
{
_size = strlen(str);
_capacity = _size;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
//交换两个对象的数据
void swap(string& s)
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
//拷贝构造函数
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);
}
//赋值运算符重载
string& operator=(const string& s)
{
cout << "string& operator=(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s);
swap(tmp);
return *this;
}
//析构函数
~string()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = 0;
_capacity = 0;
}
//[]运算符重载
char& operator[](size_t i)
{
assert(i < _size);
return _str[i];
}
//改变容量，大小不变
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;
}
}
//尾插字符
void push_back(char ch)
{
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
_str[_size] = ch;
_str[_size + 1] = '\0';
_size++;
}
//+=运算符重载
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;
};
}
左值引用的使用场景
做参数和做返回值都可以提高效率。
void func1(nzq::string s)
{}
void func2(const nzq::string& s)
{}
int main()
{
nzq::string s1("hello world");
// func1和func2的调用我们可以看到左值引用做参数减少了拷贝，提高效率的使用场景和价值
func1(s1);
func2(s1);
// string operator+=(char ch) 传值返回存在深拷贝
// string& operator+=(char ch) 传左值引用没有拷贝提高了效率
s1 += '!';
return 0;
}
我们可以看到左值引用确实提高了效率，由于fun2的形参是左值引用，避免了一次深拷贝。
左值引用的短板
当函数返回对象是一个局部变量，出了作用域就不存在了，就不能左值引用返回，只能传值返回。
例如nzq::string to_string(int value)函数中看到，这里只能传值返回，传值返回会导致至少一次拷贝构造(旧的编译器可能是两次)
nzq::string to_string(int x)
{
nzq::string ret;
while (x)
{
int val = x % 10;
x /= 10;
ret += ('0' + val);
}
reverse(ret.begin(), ret.end());
return ret;
}
int main()
{
nzq::string s2 = nzq::to_string(1324);
return 0;
}
C++11提出右值引用就是为了解决左值引用的这个短板的，但解决方式并不是简单的将右值引用作为函数的返回值。
右值引用和移动语义
解决方法：移动构造和移动赋值
移动构造：
移动构造本质是将参数右值的资源窃取过来，占为己有，那么就用做深拷贝了，所以叫移动构造，就是窃取别人的资源来构造自己。
// 移动构造
string(string&& s)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动拷贝" << endl;
swap(s);
}
移动构造和拷贝构造的区别：
- 未添加移动构造之前，拷贝构造采用的const左值接收参数，无论传入的左值还是右值，都会调用拷贝构造
- 添加后，移动构造采用的右值引用接收参数，根据最匹配原则，传入的值是右值时，就会调用移动构造
注意：右值分类：
3. 纯右值，内置类型右值
4. 将亡值 ，自定义类型右值
eg：to_string的返回值ret就是一个将亡值。将亡值是一种在函数调用结束后会立即被销毁的值，匿名对象也可以叫做将亡值，因为将亡值马上就被销毁了，不如把资源转移给别人用，因此编译器会将其识别成右值。
移动赋值：
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s)-- 移动赋值" << endl;
swap(s);
return *this;
}
移动赋值和原有operator=函数的区别：
- 未添加移动赋值之前，原有operator=采用的是const左值，无论传入左值还是右值，都会调用operator=；
- 添加后，根据最匹配原则，传入右值，就要调用移动赋值。
STL容器
C++11出来后，STL的容器增加了移动构造和移动赋值
右值引用引用左值及其一些更深入的使用场景分析
按照语法，右值引用只能引用右值，但右值引用一定不能引用左值吗？因为：有些场景下，可能真的需要用右值去引用左值实现移动语义。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。
C++11中，std::move()函数位于 头文件中，该函数名字具有迷惑性，它并不搬移任何东西，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。
move定义：
template<class _Ty>
inline typename remove_reference<_Ty>::type&& move(_Ty&& _Arg) _NOEXCEPT
{
// forward _Arg as movable
return ((typename remove_reference<_Ty>::type&&)_Arg);
}
STL容器插入接口函数也增加了右值引用版本：
右值插入的意义:
int main()
{
list<nzq::string> lt;
nzq::string s("1111");
nzq.push_back(s); //调用string的拷贝构造
nzq.push_back("2222"); //调用string的移动构造
nzq.push_back(cl::string("3333")); //调用string的移动构造
nzq.push_back(std::move(s)); //调用string的移动构造
return 0;
}
C++11出来之后，string类提供了移动构造函数，并且list容器的push_back接口提供了右值引用版本，此时如果传入push_back函数的string对象是一个右值，那么在push_back函数中构造结点时，这个右值就可以匹配到string的移动构造函数进行资源的转移，这样就避免了深拷贝，提高了效率。
完美转发
万能引用
- 模板中的&&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。
- 模板的万能引用只是提供了能够接收同时接收左值引用和右值引用的能力，
- 但是引用类型的唯一作用就是限制了接收的类型，后续使用中都退化成了左值， 我们希望能够在传递过程中保持它的左值或者右值的属性, 就需要用完美转发
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 = 10;
PerfectForward(a); //左值
PerfectForward(move(a)); //右值
const int b = 20;
PerfectForward(b); //const 左值
PerfectForward(move(b)); //const 右值
return 0;
}
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，能够匹配到对应版本的Func函数。
但是实际上最终都匹配到了左值引用版本的Func函数。
也就是说，右值经过一次参数传递后其属性会退化成左值，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。
std::forward 完美转发在传参的过程中保留对象原生类型属性
template<class T>
void PerfectForward(T&& t)
{
Func(std::forward<T>(t));
}
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，传入的是const右值就会匹配到const右值引用版本的Func函数，这就是完美转发的价值。
完美转发实际中的使用场景：
对于简化的list
namespace nzq
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
{}
//为了insert里面新节点的创建重载的初始化
list_node(T&& x)
:_data(move(x))
, _next(nullptr)
, _prev(nullptr)
{}
};
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
//左值版本的push_back
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
//右值版本的
void push_back(T&& x)
{
insert(end(), forward<T>(x));
}
//左值版本
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* cur = pos._node;
Node* newnode = new Node(x);
Node* prev = cur->_prev;
// prev newnode cur
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
++_size;
return iterator(newnode);
}
//右值版本
iterator insert(iterator pos, T&& x)
{
Node* cur = pos._node;
Node* newnode = new Node(forward<T>(x));
Node* prev = cur->_prev;
// prev newnode cur
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
++_size;
return iterator(newnode);
}
private:
Node* _head;
};
}
分别传入左值和右值调用：
int main()
{
nzq::list<nzq::string> lt;
nzq::string s1("hello world");
lt.push_back(s1);//调用左值版本
lt.push_back(nzq::to_string(12334));//调用右值版本
lt.push_back("111111");//调用右值版本
return 0;
}
在右值版本的push_back 和 insert中用到了完美转发：
push_back: 因为实参是右值，右值被右值引用过后 属性变为了左值，不完美转换就去调用左值的inset了。
insert：右值被右值引用过后 属性变为了左值，然后在new node时完美转发 让属性变回右值 从而去调用上面的右值初始化， 然后经过_data(move(x)), 去调用移动构造。
注意： 代码中push_back和insert函数的参数T&&是右值引用，而不是万能引用，因为在list对象创建时这个类就被实例化了，后续调用push_back和insert函数时，参数T&&中的T已经是一个确定的类型了，而不是在调用push_back和insert函数时才进行类型推导的。