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C++11新特性之右值引用与完美转发详解

2024-04-02 19:04:59 358人浏览八月长安

摘要

目录一、左值与右值二、左值引用与右值引用三、右值引用应用1.移动构造与移动赋值1.模拟实现的string2.移动构造3.移动赋值四、默认移动构造和移动赋值重载函数五、完美转发1.万能

一、左值与右值

顾名思义，左值就是只能放在等号左边的值，右值是只能放在等号右边的值。

在c++Prime一书中，对左值和右值的划分为，左值是一个表示数据的表达式，右值是一个即将销毁的值(通常称为将亡值)。比如我们定义的一个变量就是一个左值，而字面常量，表达式返回值，传值返回函数的返回值就是右值。

	10;//右值
	int a = 10;//a是左值
	add(2, 3);//右值
	x+y;//右值
	const int a;//左值

注意，const类型的变量是不能放在等号左侧来为它赋值的，但是他是一个左值。

这里给出一个区分两者的方式：可以取地址的就是左值，不能取地址的就是右值！

二、左值引用与右值引用

我们之前所写的引用都是左值引用符号是&，左值引用的底层是使用指针，它的作用是为对象取一个别名。

而右值引用就是给右值取别名，它的符号是&&，右值引用开辟了空间，得到的一个对象是左值。

	int a = 10;
	int& d = a;//左值引用
	int&& e = 10;//右值引用
	int&& f = a + 1;
	int&& c = add(2, 3);

左值引用不能给右值取别名，右值引用也不能给左值取别名。但是如果对左值进行move()，对左值引用加上const是可以这样进行的。

move的意思就是保证除了赋值和销毁之外，不再使用该左值，即将a的属性转移到了e中，对左值move后是一共右值。

	int&& c = a;//右值引用不能给左值取别名
	int& d = add(3, 4);//左值引用不能给右值取别名
	int&& e = move(a);//当对左值加move的时候可以
	const int& f = add(3, 4);//当对引用加const后可以取别名

同时右值引用不像左值引用一样具有传递性：

	int&& a = 10;
	a=20;
	cout<<&a<<endl;
	//int&& b = a;//错误

这是因为a是一个左值，我们可以打印a的地址，右值经过引用后得到的对象是一个左值。因此我们是可以对a进行赋值的。

三、右值引用应用

1.移动构造与移动赋值

移动构造与移动赋值在C++11中已经加入了STL容器的函数中：

string(string&& str) //移动构造
string& operator=(string&& str)//移动赋值

移动构造与移动赋值都是向函数中传入右值引用，它们的本质与右值基本相同，就是将一个将亡值的数据转移给另一个值。

我们可以在函数string中模拟实现一下移动构造和移动赋值，它们的本质就是调用swap函数完成赋值，而不是使用strcpy创建一个新对象。

1.模拟实现的string

为了方便观察，我们使用自己模拟实现的string来进行说明：

namespace my_string
{
	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)
		{
			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)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{
			cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
			string tmp(s._str);
			swap(tmp);
		}
		// 移动构造
		string(string&& s)
			:_str(nullptr)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{
			cout << "string(string&& s) -- 资源转移" << endl;
			this->swap(s);
		}
		// 移动赋值
		string& operator=(string&& s)
		{
			cout << "string& operator=(string&& s) -- 转移资源" << endl;
			swap(s);
			return *this;
		}
		//赋值
		string& operator=(const string& s)
		{
			cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << endl;
			string tmp(s);
			swap(tmp);
			return *this;
		}
		~string()
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
		}
		//下标访问
		char& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}
		//调换顺序
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n + 1];
				strcpy(tmp, _str);
				delete[] _str;
				_str = tmp;

				_capacity = n;
			}
		}
		//插入
		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);
			push_back(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
	};
	my_string::string to_string(int value)
	{
		my_string::string str;
		while (value)
		{
			int val = value % 10;
			str += ('0' + val);
			value /= 10;
		}
		reverse(str.begin(), str.end());
		return str;
	}
}

2.移动构造

当我们调用to_string的时候：

my_string::string ret = my_string::to_string(1234);

当我们不添加移动构造的时候，可以发现最终进行的是一次深拷贝和一次浅拷贝：

这里发现只调用了一次拷贝构造，这是因为编译器做了优化，如果不优化的话，str拷贝构造临时对象，然后临时对象作为to_string的返回值再拷贝构造给ret。其实是发生了两次拷贝构造。

但是编译器做了优化之后，在to_string函数快结束时，返回前直接用str构造ret。

当我们加入拷贝构造之后，会发现只发生了一次移动构造就可以了：

其实在这一过程中编译器也做了优化，str先拷贝构造形成一个临时对象，再由临时对象进行移动构造赋值给ret。

编译器做了优化之后，将str直接当成左值(相当于move了一下)，然后进行移动构造生成ret。

通过观察打印结果可以发现，显然移动构造没有再开辟空间，而是直接将数据进行转移，节省了空间，由临时变量进行拷贝构造给ret还会创建一个新的对象，消耗空间。

3.移动赋值

	my_string::string ret;
	ret = my_string::to_string(1234);//调用移动赋值

当不使用移动赋值的时候，以上代码是两段深拷贝实现的：

首先str会调用移动构造，生成临时对象，然后临时对象再调用赋值拷贝构造(深拷贝)，定义ret。

当引入移动赋值之后，这个过程就变成了str调用移动构造生成临时对象，临时对象再通过移动运算符重载生成ret，整个过程中没有一次深拷贝。

C++11中，所有STL容器中，都会提供一个右值引用的版本。

四、默认移动构造和移动赋值重载函数

与六大成员函数一样，编译器在一定的条件下，也会生成自己的默认移动构造函数，只不过生成的条件更加复杂：

1.如果你自己没有实现移动构造函数，并且没有实现析构函数，拷贝构造，拷贝赋值构造中的任意一个。那么编译器会自动生成一个默认构造函数。默认生成的移动构造函数，对内置类型进行直接拷贝，对于自定义类型，如果有对应的移动构造函数就调用其对应的移动构造函数，如果没有那么调用拷贝构造。

2.如果你没自己实现移动赋值重载函数，且没有实现析构函数，拷贝构造，拷贝赋值重载中的任何一个，编译器会自动生成一个移动赋值重载函数。默认生成的移动赋值重载函数，对内置类型直接进行赋值，对于自定义类型，如果有对应的移动赋值重载函数就调用其对应的移动赋值重载函数，如果没有则调用拷贝赋值。

3.如果你提供了移动赋值构造或者移动赋值重载函数，那么编译器就不会自动生成。

五、完美转发

1.万能引用

在模板中，&&表示的不是右值引用，而是万能引用，即既可以接收左值，又可以接收右值。

void PerfectForward(T&& t)
{
	Fun(forward<T>(t));
}

此时传入的t既可以是左值，也可以是右值。

2.完美转发

运行以下程序，发现最终识别的都是左值引用。

void Func(int&& x)
{
	cout << "rvalue" << endl;
}
void Func(int& x)
{
	cout << "lvalue" << endl;
}
template<class T>
void PerfectForward(T&& t)
{
	Func(t);
}
int main()
{
	PerfectForward(10);//左值
	int a;
	PerfectForward(a);//左值
	PerfectForward(move(a));//左值
}