C++进阶--C++11右值引用和移动语义
C++11右值引用和移动语义
- 一、基本概念
-
- 1.1 左值的概念
- 1.2 右值的概念
- 1.3 左值引用的概念
- 1.4 右值引用的概念
- 二、右值引用使用场景和意义
-
- 2.1 左值引用的使用场景
- 2.2 左值引用的短板
- 2.3 右值引用和移动语义
-
- 2.3.1 移动构造
- 2.3.2 移动赋值
- 2.3.3 STL容器
- 2.4 右值引用引用左值
- 2.5 右值引用的其他使用场景
- 三、完美转发
-
- 3.1 万能引用
- 3.2 完美转发保持值的属性
- 3.3 完美转发的使用场景
一、基本概念
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 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（cosnt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。
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;
return 0;
}
1.2 右值的概念
右值也是一个表示数据的表达式，如字母常量、表达式的返回值、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，但是不能出现在赋值符号的左边。
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);
return 0;
}
- 右值本质就是一个临时变量或常量值，比如代码中的10就是常量值，表达式x+y和函数fmin的返回值就是临时变量，这些都叫做右值。
- 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。
1.3 左值引用的概念
左值引用就是对左值的引用，给左值取别名，用过“&”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;
}
1.4 右值引用的概念
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;
}
需要注意的是，右值是不能取地址的，但是给右值取别名后，会导致右值被存储到特定位置，这时这个右值可以被取到地址，并且可以被修改，如果不想让被引用的右值被修改，可以用const修饰右值引用。
int main()
{
double x = 1.1, y = 2.2;
int&& rr1 = 10;
const double&& rr2 = x + y;
rr1 = 20;
rr2 = 5.5; // 报错
return 0;
}
左值引用可以引用右值吗？
- 左值引用不能引用右值，因为这涉及权限放大的问题，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。
因为const左值引用既可以引用左值，也可以引用右值。
int main()
{
int a = 0;
int b = 1;
int* p = &a;
a + b;
//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);
const int& ref2 = (a + b); //(a+b)是临时变量，具有常性，所以需要加const，不然就是权限的放大了
return 0;
}
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标准提供的一个函数，被move后的左值能够赋值给右值引用。
int main()
{
int a = 0;
int b = 1;
int* p = &a;
a + b;
//右值引用给右值取别名
int&& ref3 = (a + b);
//右值引用给move后左值取别名
//int&& ref4 = a;
int&& ref4 = move(a);
return 0;
}
二、右值引用使用场景和意义
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。
为了更好的说明问题，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当中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 zl
{
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;
}
移动构造
//string(string&& s)
// :_str(nullptr)
// , _size(0)
// , _capacity(0)
//{
// cout << "string(string&& s) -- 移动语义" << endl;
// swap(s);
//}
// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动语义" << 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
};
}
2.1 左值引用的使用场景
在说明左值引用的短板之前，先来看看左值引用的使用场景：
- 左值引用做参数，防止传参时进行拷贝操作。
- 左值引用做返回值，防止返回时对返回对象进行拷贝操作。
void func1(bit::string s)
{}
void func2(const bit::string& s)
{}
int main()
{
bit::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;
}
因为模拟实现的是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+=运算符重载函数改为传值返回，那么重新运行代码后你就会发现多了一次拷贝构造函数的调用。
我们都知道string的拷贝是深拷贝，深拷贝的代价是比较高的，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。
2.2 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。
- 左值引用做参数，能够完全避免传参时不必要的拷贝操作。
- 左值引用做返回值，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。
比如我们模拟实现一个int版本的to_string函数，这个to_string函数就不能使用左值引用返回，因为to_string函数返回的是一个局部变量。
namespace zl
{
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;
}
}
此时调用to_string函数返回时，就一定会调用string的拷贝构造函数。
int main()
{
zl::string valStr = zl::to_string(1234);
cout << valStr.c_str() << endl;
std::string s1("hello");
std::string s2 = s1;
std::string s3 = move(s1);
//move(s1); //move(s1)的返回值是右值
//std::string s3 = s1;
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，但解决方式并不是简单的将右值引用作为函数的返回值。
2.3 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。
2.3.1 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，占为己有，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的意思。
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函数将传入右值的资源窃取过来，为了能够更好的得知移动构造函数是否被调用，可以在该函数当中打印一条提示语句。
namespace zl
{
class string
{
public:
//移动构造
string(string&& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;
swap(s);
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
}
移动构造和拷贝构造的区别：
- 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的拷贝构造函数做的是深拷贝，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移动，而不会再调用拷贝构造函数进行深拷贝。
int main()
{
cl::string s = cl::to_string(1234);
return 0;
}
说明：
- 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消耗的值叫做“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。
2.3.2 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赋值给自己的意思。
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，为了能够更好的得知移动赋值函数是否被调用，可以在该函数中打印一条提示语句。
namespace cl
{
class string
{
public:
//移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;
swap(s);
return *this;
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
}
移动赋值和原有operator=函数的区别：
- 在没有增加移动赋值之前， 由于原有operator=函数采用的是const左值引用接收参数，因此无论赋值时传入的是左值还是右值，都会调用原有的operator=函数。
- 增加移动赋值之后，由于移动赋值采用的是右值引用接收参数，因此如果赋值时传入的是右值，那么就会调用移动赋值函数（最匹配原则）。
- string原有的operator=函数做的是深拷贝，而移动赋值函数中只需要调用swap函数进行资源的转移，因此调用移动赋值的代价比调用原有operator=的代价小。
现在给string增加移动构造和移动赋值以后，就算是用一个已经定义过的string对象去接收to_string函数的返回值，此时也不会存在深拷贝。
int main()
{
cl::string s;
//...
s = cl::to_string(1234);
return 0;
}
此时当to_string函数返回局部的string对象时，会先调用移动构造生成一个临时对象，然后再调用移动赋值将临时对象的资源转移给我们接收返回值的对象，这个过程虽然调用了两个函数，但这两个函数要做的只是资源的移动，而不需要进行深拷贝，大大提高了效率。
说明：在实现移动赋值函数之前，该代码的运行结果理论上应该是调用一次拷贝构造，再调用一次原有的operator=函数，但由于原有operator=函数实现时复用了拷贝构造函数，因此代码运行后的输出结果会多打印一次拷贝构造函数的调用，这是原有operator=函数内部调用的。
2.3.3 STL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：
2.4 右值引用引用左值
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。
template<class _Ty>
inline typename remove_reference<_Ty>::type&& move(_Ty&& _Arg) _NOEXCEPT
{
// forward _Arg as movable
return ((typename remove_reference<_Ty>::type&&)_Arg);
}
int main()
{
bit::string s1("hello world");
// 这里s1是左值，调用的是拷贝构造
bit::string s2(s1);
// 这里我们把s1 move处理以后, 会被当成右值，调用移动构造
// 但是这里要注意，一般是不要这样用的，因为我们会发现s1的
// 资源被转移给了s3，s1被置空了。
bit::string s3(std::move(s1));
return 0;
}
说明
- move函数中_Arg参数的类型不是右值引用，而是万能引用。万能引用跟右值引用的形式一样，但是右值引用需要是确定的类型。
- 一个左值被move以后，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。
2.5 右值引用的其他使用场景
右值引用版本的插入函数
C++11标准出来之后，STL中的容器除了增加移动构造和移动赋值之外，STL容器插入接口函数也增加了右值引用版本。
如果list容器当中存储的是string对象，那么在调用push_back向list容器中插入元素时，可能会有如下几种插入方式：
int main()
{
zl::list<zl::string> lt;
zl::string s1("hello world");
lt.push_back(s1);
lt.push_back(zl::string("hello world"));
lt.push_back("hello world");
return 0;
}
list容器的push_back函数需要先构造一个结点，然后将该结点插入到底层的双链表当中。
- 在C++11之前list容器的push_back接口只有一个左值引用版本，因此在push_back函数中构造结点时，这个左值只能匹配到string的拷贝构造函数进行深拷贝。
- 而在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。
- 上述代码中的插入第一个元素时就会匹配到push_back的左值引用版本，在push_back函数内部就会调用string的拷贝构造函数进行深拷贝，而插入后面三个元素时由于传入的是右值，因此会匹配到push_back的右值引用版本，此时在push_back函数内部就会调用string的移动构造函数进行资源的转移。
三、完美转发
3.1 万能引用
模板中的&&不代表右值引用，而是万能引用，其既能接收左值也能接收右值。
template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{
//...
}
右值引用和万能引用的区别就是，右值引用需要是确定的类型，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 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;
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
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，调用PerfectForward函数时传入const左值和const右值，最终都匹配到了const左值引用版本的Func函数。
- 根本原因就是，右值被引用后会导致右值被存储到待定位置，这时这个右值可以被取到地址，并且可以被修改，所以在PerfectForward函数中调用Func函数时会将t识别成左值。
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。
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。
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。
3.3 完美转发的使用场景
下面模拟实现了一个简化版的list类，类当中分别提供了左值引用版本和右值引用版本的push_back和insert函数。
#pragma once
#include& lt)
{
empty_init();
for (auto e : lt)
{
push_back(e);
}
}*/
void swap(list<T>& tmp)
{
std::swap(_head, tmp._head);
}
//现代写法
list(const list<T>& lt)
{
empty_init();
list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
swap(tmp);
}
//lt1=lt3
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
//it = erase(it);
erase(it++);
}
}
void push_back(const T& x=T())
{
/*node* tail = _head->_prev;
node* new_node = new node(x);
tail->_next = new_node;
new_node->_prev = tail;
new_node->_next = _head;
_head->_prev = new_node;*/
insert(end(), x);
}
void push_back(T&& x )
{
insert(end(), forward<T>(x));
}
void push_front(const T& x = T())
{
insert(begin(), x);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
void insert(iterator pos, const T& x)
{
node* cur = pos._node;
node* prev = cur->_prev;
node* new_node = new node(x);
prev->_next = new_node;
new_node->_prev = prev;
new_node->_next = cur;
cur->_prev = new_node;
}
void insert(iterator pos,T&& x)
{
node* cur = pos._node;
node* prev = cur->_prev;
node* new_node = new node(forward<T>(x));
prev->_next = new_node;
new_node->_prev = prev;
new_node->_next = cur;
cur->_prev = new_node;
}
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end());
node* prev = pos._node->_prev;
node* next = pos._node->_next;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete pos._node;
return iterator(next);
}
private:
node* _head;
};
void print_list(const list<int>& lt)
{
list<int>::const_iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
//(*it) *= 2;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
}
下面定义一个list对象，list容器中存储的就是之前模拟实现的string类，这里分别传入左值和右值调用不同版本的push_back。
int main()
{
zl::list<zl::string> lt;
zl::string s1("hello world");
lt.push_back(s1);
lt.push_back(zl::string("hello world"));
lt.push_back("hello world");
return 0;
}
调用左值引用版本的push_back函数插入元素时，会调用string原有的operator=函数进行深拷贝，而调用右值引用版本的push_back函数插入元素时，只会调用string的移动赋值进行资源的移动。
- 因为实现push_back函数时复用了insert函数的代码，对于左值引用版本的push_back函数，在调用insert函数时只能调用左值引用版本的insert函数，而在insert函数中插入元素时会先new一个结点，然后将对应的左值赋值给该结点，因此会调用string原有的operator=函数进行深拷贝。
- 而对于右值引用版本的push_back函数，在调用insert函数时就可以调用右值引用版本的insert函数，在右值引用版本的insert函数中也会先new一个结点，然后将对应的右值赋值给该结点，因此这里就和调用string的移动赋值函数进行资源的移动。
- 这个场景中就需要用到完美转发，否则右值引用版本的push_back接收到右值后，该右值的右值属性就退化了，此时在右值引用版本的push_back函数中调用insert函数，也会匹配到左值引用版本的insert函数，最终调用的还是原有的operator=函数进行深拷贝。
- 此外，除了在右值引用版本的push_back函数中调用insert函数时，需要用完美转发保持右值原有的属性之外，在右值引用版本的insert函数中用右值给新结点赋值时也需要用到完美转发，否则在赋值时也会将其识别为左值，导致最终调用的还是原有的operator=函数。
也就是说，只要想保持右值的属性，在每次右值传参时都需要进行完美转发，实际STL库中也是通过完美转发来保持右值属性的。
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。