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【C++11】三大神器之——右值、移动语义、完美转发-创新互联
前言
引用折叠
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如果你还不知道C++11引入的右值、移动语义、完美转发是什么，可以阅读这篇文章；如果你已经对这些知识了如指掌，也可以看看有什么可以补充~😏
在正式认识右值之前，我们要先区分值的类别和变量类型：
- 值 (value)和变量 (variable)是两个独立的概念。值不一定拥有变量名（如表达式：i + j + k）。
- 值只有类别（category）之分，而变量只有类型（type）之分。
值类别可以被划分左值和右值。
那什么是左值和右值呢？左值是能被取地址、不能被移动的值。右值是表达式中间结果/函数返回值（可能拥有变量名，也可能没有）。
有一个可以区分左值和右值的便捷方法：看能不能对表达式取地址，如果能，则为左值，否则为右值。
C++11扩展了右值的概念，将右值分为了纯右值和将亡值，但本文不作讨论。
如下的示例将帮助我们区分左值和右值：
int i = 3; // i是左值，3是右值
int j = i+8; // j是左值，i+8是右值
char a = getCh(); // a是左值 ，getCh()的返回值是右值（临时变量）在以前的文章中，我们曾经讨论过左值引用和常引用的区别。在本篇文章中，我们需要进一步系统的了解它们三者之间的关系。
引用类型 可以分为两种：
- 左值引用：用
&符号引用左值（但不能引用右值）， - 右值引用：用
&&符号引用右值（可以移动左值）。
在C++11中，因为增加了右值引用(rvalue reference)的概念，所以C++98中的引用都称为了左值引用(lvalue reference)。
使用方法如下所示：
int&& a = 3; // 3是右值，a是右值引用
int b = 8; // b是左值
int& bb = b; //bb是左值引用
int&& c = b + 5; // b+5是右值，c是右值引用
AA&& aa = getTemp(); // getTemp()的返回值是右值（临时变量）左值引用十分常见，我们知道是给变量取个别名，但是引入右值引用的意义是什么呢？（将在下文中解答）
在上述的代码中，getTemp()的返回值本来在表达式语句结束后，其生命也就该终结了（因为是临时变量），而通过右值引用重获了新生，其生命周期将与右值引用类型变量aa的生命周期一样，只要aa还活着，该右值临时变量将会一直存活下去。
在下面的代码中将帮助我们区分左值引用和右值引用：
void func(T& a);//1，参数是左值
void func(T&& a);//2，参数是右值
//T类型的变量
T var;
T& rvar1 = var;//正确，rvar1是左值
T& rvar1 = T{};//错误,左值引用不能引用右值
T&& rvar2 = T{};//正确，rvar2是右值
T&& rvar2 = var;//错误,右值引用不能引用左值
T&& rvar2 = std::move(var);//正确，可以通过std::move()将左值转为右值引用
func(var);//进入1，a是左值
func(T{});//进入2，a是右值
func(rvar1);//进入1，a是左值
func(rvar2);//进入1，rvar2是右值引用但a是左值可以看出：
- 当左值引用变量
rvar1在初始化时，不能绑定右值T{}， - 当右值引用变量
rvar2在初始化时，不能绑定左值var，但是可以通过std::move()将左值转为右值引用。 - 在代码的最后，右值引用变量
rvar2作为实参传入func中时，在作用域内是左值（已命名的右值引用是左值）。
另外，C++还支持了常引用，能够同时接受左值和右值（作为常引用）。
void func(const T& a);//a是常引用常引用和右值引用 都能接受右值的绑定，有什么区别呢？
- 常引用可以像右值引用一样将右值的生命期延长，但它有一个缺点是，只能读不能改。
现在回到我们的问题：引入右值引用的意义是什么？
如果函数重载能够同时接受：右值引用/常引用参数，则编译器将优先重载：右值引用参数，即引入右值引用的主要目的是实现移动语义。
下面是不同值作为实参传入形参时，函数重载优先级（数字越小优先级越高）：
| 实参/形参 | T& | const T& | T&& | const T&& |
|---|---|---|---|---|
| 左值 | 1 | 2 | ||
| 常左值 | 1 | |||
| 右值 | 3 | 1 | 2 | |
| 常右值 | 2 | 1 |
在正式学习移动语义(move semantic)和完美转发std::forward()之前，我们还要提一嘴引用折叠（reference collapsing），它是移动语义和完美转发的实现基础。
using Lref = Data&;
using Rref = Data&&;
Data data;
Lref& r1 = data; // r1是左值
Lref&& r2 = data; // r2是左值
Rref& r3 = data; // r3是左值
Rref&& r4 = Data{}; // r4是右值总之，只有右值引用折叠到右值引用上仍然是一个右值引用，而其他所有的引用类型之间的折叠都将变成左值引用。
二、移动语义 为什么需要移动语义我们知道，如果一个对象中有堆区资源，需要编写拷贝构造函数和赋值函数，实现深拷贝。如果被拷贝的对象是临时的，拷贝完就没什么用了，这样会造成没有意义的资源申请和释放操作。如果能将对象包含的资源，直接从旧对象移动到新对象，就可以节省资源申请和释放的时间。C++11新增加的移动语义(move semantic)就是为了做到这一点（基本类型不包含资源，其移动和拷贝相同。）。
还有另一种情况：如果资源对象本身不可拷贝（如智能指针std::unique_ptr）需要定义移动构造/移动赋值函数，其原理类似。
实现移动语义要增加两个函数：移动构造函数和移动赋值函数。我们通过实现一个简单的string类对象来说明：
class String
{public:
String()
{cout<< "String类"<< this<< "的构造函数"<< endl;// 显示自己被调用的日志
const char* s = "Hello C++";
int len = strlen(s);
_str = new char[len + 1];
strcpy(_str, s);
}
String(const String& another)
{cout<< "String类"<< this<< "的拷贝构造"<< endl;// 显示自己被调用的日志
int len = strlen(another._str);//获取源对象中字符串的长度
_str = new char[len + 1];
strcpy(_str, another._str);// 把数据从源对象中拷贝过来
}
String& operator=(String& another)
{cout<< "String类"<< this<< "的拷贝赋值"<< endl;// 显示自己被调用的日志
if (this == &another)
return *this;// 避免自我赋值
int len = strlen(another._str);//获取源对象中字符串的长度
_str = new char[len + 1];
strcpy(_str, another._str);// 把数据从源对象中拷贝过来
return *this;
}
String(String&& another)noexcept
{cout<< "String类"<< this<< "的移动构造"<< endl;// 显示自己被调用的日志
if(_str != nullptr)
delete[] _str; //如果已分配内存，先释放掉
this->_str = another._str;// 把资源从源对象中转移过来
another._str = nullptr;// 把源对象中的指针置空
}
String& operator=(String&& another)
{cout<< "String类"<< this<< "的移动赋值"<< endl;// 显示自己被调用的日志
if (this == &another)
return *this;// 避免自我赋值
if(_str != nullptr)
delete[] _str; //如果已分配内存，先释放掉
this->_str = another._str;// 把资源从源对象中转移过来
another._str = nullptr;// 把源对象中的指针置空
return *this;
}
friend ostream& operator<<(ostream& out, String& str)
{out<< str._str;
return out;
}
~String()
{cout<< "String类"<< this<< "的析构函数"<< endl;// 显示自己被调用的日志
if(_str != nullptr)
{delete[] _str;
_str = nullptr;
}
}
private:
char* _str;
};上述代码中，编译器会根据传入的实参的优先级（详见上文表格），来决定重载的构造函数。
- 当实参是左值时，使用拷贝构造，拷贝源对象所有的元素。
- 当实参是右值时，使用移动构造，将指向源对象的内存空间的指针“移动”到新对象，并将源对象的指针置空。
- 拷贝/移动赋值函数的原理相同，在此不再过多描述。
测试用例及输出的结果：
int main()
{{String str1{};//String类0x751f9ffd60的构造函数
cout<< "str1 = "<< str1<< endl;//str1 = Hello C++
String str2{str1};//String类0x751f9ffd58的拷贝构造
cout<< "str2 = "<< str2<< endl;//str2 = Hello C++
//返回一个右值（临时对象）的lambda函数
auto f = [] {String aa; return aa;};
// String str3 = f();//拷贝省略
// cout<< "str3 = "<< str3<< endl;
String str{};//String类0x751f9ffd48的构造函数
String str3{move(str)};//String类0x751f9ffd40的移动构造
cout<< "str3 = "<< str3<< endl;//str3 = Hello C++
String str4{};//String类0x751f9ffd38的构造函数
//String类0x751f9ffd68的构造函数
str4 = f();//String类0x751f9ffd38的移动赋值
//String类0x751f9ffd68的析构函数
cout<< "str4 = "<< str4<< endl;//str4 = Hello C++
}
//String类0x751f9ffd38的析构函数
//String类0x751f9ffd40的析构函数
//String类0x751f9ffd48的析构函数
//String类0x751f9ffd58的析构函数
//String类0x751f9ffd60的析构函数
system("pause");
return 0;
}尽管C++11引入了移动语义，但是仍有优化的空间——与其调用一次没有意义的移动构造函数，不如让编译器直接跳过这个过程——于是就有了拷贝省略（copy elision）。
移动语义和拷贝省略的区别：
- 移动语义是语言标准提出的概念。是通过编写遵守移动语义的移动构造函数、右值限定成员函数，在逻辑上优化对象内资源的转移流程。
- 拷贝省略是非标准（C++ 17 前）的编译器优化。跳过移动/拷贝构造函数，让编译器直接在移动后的对象内存上，构造被移动的对象。
由于拷贝省略的存在，在上述代码中，String str3 = f();会被编译器优化，为了方便演示移动构造函数，我们使用了std::move()的方法移动返回值，当然这会造成不必要的开销。
通用引用阅读本节需要读者有一定的模板编程基础。
C++11中引入了变长模板的概念，允许向模板参数里传入不同类型的不定长引用参数。由于每个类型可能是左值引用或右值引用，针对所有可能的左右值引用组合，特化所有模板 是不现实的。
如果没用通用引用的概念，那么对于一个变长模板函数，至少需要两个重载：
templatevoid func(T& arg, Args&...args)
{func(args...);//左值直接展开
}
templatevoid func(T&& arg, Args&&...args)
{func(std::move(args...));//右值需要std::move()转发
} Scott Meyers（Effective Modern C++的作者）指出“有时候符号&&并不一定代表右值引用，它也可能是左值引用。”
事实上，如果一个引用符号需要通过推导才能得出左右值的类型（如模板参数类型或者auto），那么这个符号就可以是左值引用或右值引用——这就是通用引用 (universal reference)。
这一点我们通过上文中的引用折叠的示例也可以得出。
基于通用引用，我们可以对上述的代码进行改进：
templatevoid func(T&& arg, Args&&...args)
{func(std::forward(args)... );
} 其中std::forward实现了针对左右值的参数，能保证被转发参数的左、右值属性不变，即完美转发(perfect forwarding)。
在C++11中，完美转发支持：
- 如果模板中（包括类模板和函数模板）函数的参数书写成为
T&& 参数名，那么，函数既可以接受左值引用，又可以接受右值引用。 - 提供了模板函数
std::forward，用于转发参数，如果 参数是一个右值，转发之后仍是右值引用；如果参数是一个左值，转发之后仍是左值引用。(参数)
使用示例如下：
void fun1(int& i)//如果参数是左值
{cout<< "左值 = "<< i<< endl;
}
void fun1(int&& i)//如果参数是右值
{cout<< "右值 = "<< i<< endl;
}
templatevoid func(T&& ii)
{fun1(std::forward(ii));
} 完美转发的语法比较简单，至于其原理本文暂时不深入研究。😝
最后本文部分参考自文章
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分享文章：【C++11】三大神器之——右值、移动语义、完美转发-创新互联
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