C++11——右值引用和移动语义
右值引用和移动语义
文章目录
- 右值引用和移动语义
- 一、左值引用和右值引用
- 二、左值引用与右值引用比较
- 三、右值引用使用场景和意义
- 四、移动语义
- 五、移动赋值
- 六、万能引用与完美转发
-
- 万能引用
- 完美转发——forward
一、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
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
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，且可以取到该位置的地址，也就是说例如：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
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;
}
小总结：
- 可以认为能取地址的、 有名字的就是左值， 反之，不能取地址的、 没有名字的就是右值
- 左值可以出现在左边和右边，而右值不能出现在左边
二、左值引用与右值引用比较
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
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：
- 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，因为move可以把ret变成一个将亡值(右值)
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;
}
三、右值引用使用场景和意义
我们以前使用的引用基本上都是左值引用（函数传参，函数传返回值），左值引用的作用主要用来减少拷贝
但是左值引用并没有彻底的解决问题，比如传返回值的时候，如果是一个局部变量，我们就无法引用返回了
如下：
template <class T>
T& fun()
{
T a;
return a;
}
这里出了作用域后对象自动销毁，所以不能传递回去造成越界访问。
为了解决这种情况，C++提出了右值引用，接下来用我们之前写过的string类举例子，方便观察
namespace Tlzns
{
class string
{
public:
typedef char* iterator;
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
string(const char* str = "")
:_size(strlen(str))
, _capacity(_size)
{
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
void swap(string& s)
{
::swap(_str, s._str);
::swap(_size, s._size);
::swap(_capacity, s._capacity);
}
// 拷贝构造
string(const string& s)
{
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=(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s);
swap(tmp);
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)
{
push_back(ch);
return *this;
}
const char* c_str() const
{
return _str;
}
private:
char* _str = nullptr;
size_t _size = 0;
size_t _capacity = 0;
};
string Test()
{
string s = "123456";
return s;
}
}
int main()
{
Tlzns::string ret = Tlzns::Test();
return 0;
}
这时引出一个小问题，观察Test()函数，该过程一共会调用几次构造函数
此处正确答案应该是两次
我们看实际跑出来的结果
此处实际跑出来是只进行了一次拷贝构造，原因是VS2019将该过程进行了优化，优化成s直接拷贝构造ret
这种情况如果需要拷贝的信息很大的话，效率就会降低，所以C++11用右值引用和移动语义解决上述问题
四、移动语义
右值分为纯右值和将亡值
纯右值：内置类型的表达式的值
将亡值：自定义类型表达式的值
对于一个将亡值，与其让它消失，还不如直接把它的值交换走，换给有需要的对象
我们在Tlzns::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，占位已有，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
// 拷贝构造
string(const string& s)
{
cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s._str);
swap(tmp);
}
// 移动构造
string(string&& s)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动语义" << endl;
swap(s);
}
此时，对于左值会自动匹配拷贝构造，对于右值(将亡值)会自动匹配移动构造
五、移动赋值
如果将main()函数修改成如下，先定义ret，后将函数返回值赋值给ret，这种情况下编译器是没办法像之前一样优化成调用一次拷贝构造
我们看运行结果
此时编译器进行的操作是
- 先将右值s调用移动构造返回
- 调用赋值重载函数，只不过此处的赋值重载使用现代写法写的，所以最后还会有一次拷贝构造
而如果我们加上移动赋值函数
// 赋值重载
string& operator=(const string& s)
{
cout << "string& operator=(const 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;
}
我们看结果
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。Tlzns::Test()函数中会先用s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，然后在把这个临时对象做为Tlzns::Test()函数调用的返回值赋值给ret，这里调用的移动赋值，这样就减少了拷贝，优化了效率
其实在STL中的容器都是增加了移动构造和移动赋值
小总结：
-
左值引用和右值引用减少拷贝的方式不太一样
左值引用是直接取别名
右值引用是使用移动构造和移动拷贝间接实现，可以把要返回的临时对象看作将亡值，进行资源转移 -
右值引用主要解决的是对象传值返回拷贝问题，也可以解决容器插入数据的拷贝问题（如果插入的是右值就不需要深拷贝）
六、万能引用与完美转发
首先，我们需要明白的是C++11中提供了move()函数，可以将左值转换为右值
但move函数的使用需要额外注意，如果该右值不是将亡值的情况，我们将一个普通的变量从左值强行转换为右值，由于移动构造，会导致该变量本身原有的资源消失
其次，还需要注意的是右值在进行一次引用之后就会自动变为左值
void fun2(int&& i)
{
cout << "fun2(int&& i)" << endl;
}
void fun2(int& i)
{
cout << "fun2(int& i)" << endl;
}
void fun1(int&& i)
{
cout << "fun1(int&& i)" << endl;
fun2(i);
}
int main()
{
fun1(1);
return 0;
}
我们可以清楚的看到，在经过一次的右值引用之后，继续调用时该右值变成了左值
如果有多层嵌套函数就会频繁使用move，所以C++11引入新语法完美转发std::forward
万能引用
在普通函数里右值不能引用左值：
void fun1(int&& i)
{
cout << "fun1(int&& i)" << endl;
}
int main()
{
int a = 1;
//fun1(a);// 右值不能引用左值
return 0;
}
为了解决这一问题，C++11中提出了万能引用的概念
// 万能引用
template <class T>
void fun(T&& i)
{
cout << "fun(int& i)" << endl;
}
int main()
{
int a = 1;
fun(a);// 左值
fun(std::move(a));// 右值
const int b = 1;
fun(b);// const左值
fun(std::move(b));// const右值
return 0;
}
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, 就需要用我们下面学习的完美转发
完美转发——forward
根据上文中提到的，右值在引用一次后，会自动变成左值
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; }
// 万能引用
template <class T>
void fun(T&& i)
{
Fun(i);
}
int main()
{
int a = 1;
fun(a);// 左值
fun(std::move(a));// 右值
const int b = 1;
fun(b);// const左值
fun(std::move(b));// const右值
return 0;
}
可以发现调用Fun都是左值
我们再看使用完美转发后
// 万能引用
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; }
// 万能引用
template <class T>
void fun(T&& i)
{
// 完美转发，保持原本属性
Fun(std::forward<T>(i));
}
int main()
{
int a = 1;
fun(a);// 左值
fun(std::move(a));// 右值
const int b = 1;
fun(b);// const左值
fun(std::move(b));// const右值
return 0;
}
此时，由于完美转发的缘故，在调用Fun时保持了原有的属性
