左值和右值都是针对表达式,左值是指表达式结束后依然存在的持久对象,右值是指表达式结束时就不再存在的临时对象,下面这篇文章主要给大家介绍了关于C++11右值引用和移动语义的相关资料,需要的朋友可以参考下
目录
- 1.右值引用
- 1.1左值右值的纯右值将亡值右值
- 1.2右值引用和左值引用
- 2.移动构造函数
- 2.1完美的移动转发
1.右值引用
右值引用是 C++11 引入的与 Lambda 表达式齐名的重要特性之一。它的引入解决了 C++ 中大量的历史遗留问题， 消除了诸如 std::vector、std::string 之类的额外开销， 也才使得函数对象容器 std::function 成为了可能。
1.1左值右值的纯右值将亡值右值
要弄明白右值引用到底是怎么一回事，必须要对左值和右值做一个明确的理解。
左值 (lvalue, left value)，顾名思义就是赋值符号左边的值。准确来说， 左值是表达式（不一定是赋值表达式）后依然存在的持久对象。
右值 (rvalue, right value)，右边的值，是指表达式结束后就不再存在的临时对象。
而 C++11 中为了引入强大的右值引用，将右值的概念进行了进一步的划分，分为：纯右值、将亡值。
纯右值 (prvalue, pure rvalue)，纯粹的右值，要么是纯粹的字面量，例如 10, true； 要么是求值结果相当于字面量或匿名临时对象，例如 1+2。非引用返回的临时变量、运算表达式产生的临时变量、 原始字面量、Lambda 表达式都属于纯右值。
需要注意的是，字面量除了字符串字面量以外，均为纯右值。而字符串字面量是一个左值，类型为 const char 数组。例如：
#include <type_traits>
int main() {
// 正确，"01234" 类型为 const char [6]，因此是左值
const char (&left)[6] = "01234";
// 断言正确，确实是 const char [6] 类型，注意 decltype(expr) 在 expr 是左值
// 且非无括号包裹的 id 表达式与类成员表达式时，会返回左值引用
static_assert(std::is_same<decltype("01234"), const char(&)[6]>::value, "");
// 错误，"01234" 是左值，不可被右值引用
// const char (&&right)[6] = "01234";
}
但是注意，数组可以被隐式转换成相对应的指针类型，而转换表达式的结果（如果不是左值引用）则一定是个右值（右值引用为将亡值，否则为纯右值）。例如：
const char* p = "01234"; // 正确，"01234" 被隐式转换为 const char*
const char*&& pr = "01234"; // 正确，"01234" 被隐式转换为 const char*，该转换的结果是纯右值
// const char*& pl = "01234"; // 错误，此处不存在 const char* 类型的左值
将亡值 (xvalue, expiring value)，是 C++11 为了引入右值引用而提出的概念（因此在传统 C++ 中， 纯右值和右值是同一个概念），也就是即将被销毁、却能够被移动的值。
将亡值可能稍有些难以理解，我们来看这样的代码：
std::vector<int> foo() {
std::vector<int> temp = {1, 2, 3, 4};
return temp;
}
std::vector<int> v = foo();
在这样的代码中，就传统的理解而言，函数 foo 的返回值 temp 在内部创建然后被赋值给 v， 然而 v 获得这个对象时，会将整个 temp 拷贝一份，然后把 temp 销毁，如果这个 temp 非常大， 这将造成大量额外的开销（这也就是传统 C++ 一直被诟病的问题）。在最后一行中，v 是左值、 foo() 返回的值就是右值（也是纯右值）。但是，v 可以被别的变量捕获到， 而 foo() 产生的那个返回值作为一个临时值，一旦被 v 复制后，将立即被销毁，无法获取、也不能修改。 而将亡值就定义了这样一种行为：临时的值能够被识别、同时又能够被移动。
在 C++11 之后，编译器为我们做了一些工作，此处的左值 temp 会被进行此隐式右值转换， 等价于 static_cast<std::vector<int> &&>(temp)，进而此处的 v 会将 foo 局部返回的值进行移动。 也就是后面我们将会提到的移动语义。
1.2右值引用和左值引用
要拿到一个将亡值，就需要用到右值引用：T &&，其中 T 是类型。 右值引用的声明让这个临时值的生命周期得以延长、只要变量还活着，那么将亡值将继续存活。
C++11 提供了 std::move 这个方法将左值参数无条件的转换为右值， 有了它我们就能够方便的获得一个右值临时对象，例如：
#include <iostream>
#include <string>
void reference(std::string& str) {
std::cout << "左值" << std::endl;
}
void reference(std::string&& str) {
std::cout << "右值" << std::endl;
}
int main()
{
std::string lv1 = "string,"; // lv1 是一个左值
// std::string&& r1 = lv1; // 非法, 右值引用不能引用左值
std::string&& rv1 = std::move(lv1); // 合法, std::move可以将左值转移为右值
std::cout << rv1 << std::endl; // string,
const std::string& lv2 = lv1 + lv1; // 合法, 常量左值引用能够延长临时变量的生命周期
// lv2 += "Test"; // 非法, 常量引用无法被修改
std::cout << lv2 << std::endl; // string,string,
std::string&& rv2 = lv1 + lv2; // 合法, 右值引用延长临时对象生命周期
rv2 += "Test"; // 合法, 非常量引用能够修改临时变量
std::cout << rv2 << std::endl; // string,string,string,Test
reference(rv2); // 输出左值
return 0;
}
rv2 虽然引用了一个右值，但由于它是一个引用，所以 rv2 依然是一个左值。
注意，这里有一个很有趣的历史遗留问题，我们先看下面的代码：
#include <iostream>
int main() {
// int &a = std::move(1); // 不合法，非常量左引用无法引用右值
const int &b = std::move(1); // 合法, 常量左引用允许引用右值
std::cout << a << b << std::endl;
}
第一个问题，为什么不允许非常量引用绑定到非左值？这是因为这种做法存在逻辑错误：
void increase(int & v) {
v++;
}
void foo() {
double s = 1;
increase(s);
}
由于 int& 不能引用 double 类型的参数，因此必须产生一个临时值来保存 s 的值， 从而当 increase() 修改这个临时值时，调用完成后 s 本身并没有被修改。
第二个问题，为什么常量引用允许绑定到非左值？原因很简单，因为 Fortran 需要。
2.移动构造函数
传统 C++ 通过拷贝构造函数和赋值操作符为类对象设计了拷贝/复制的概念，但为了实现对资源的移动操作， 调用者必须使用先复制、再析构的方式，否则就需要自己实现移动对象的接口。 试想，搬家的时候是把家里的东西直接搬到新家去，而不是将所有东西复制一份（重买）再放到新家、 再把原来的东西全部扔掉（销毁）
传统的 C++ 没有区分『移动』和『拷贝』的概念，造成了大量的数据拷贝，浪费时间和空间。 右值引用的出现恰好就解决了这两个概念的混淆问题，例如：
#include <iostream>
class A {
public:
int *pointer;
A():pointer(new int(1)) {
std::cout << "构造" << pointer << std::endl;
}
A(A& a):pointer(new int(*a.pointer)) {
std::cout << "拷贝" << pointer << std::endl;
} // 无意义的对象拷贝
A(A&& a):pointer(a.pointer) {
a.pointer = nullptr;
std::cout << "移动" << pointer << std::endl;
}
~A(){
std::cout << "析构" << pointer << std::endl;
delete pointer;
}
};
// 防止编译器优化
A return_rvalue(bool test) {
A a,b;
if(test) return a; // 等价于 static_cast<A&&>(a);
else return b; // 等价于 static_cast<A&&>(b);
}
int main() {
A obj = return_rvalue(false);
std::cout << "obj:" << std::endl;
std::cout << obj.pointer << std::endl;
std::cout << *obj.pointer << std::endl;
return 0;
}
在上面的代码中：
首先会在 return_rvalue 内部构造两个 A 对象，于是获得两个构造函数的输出；
函数返回后，产生一个将亡值，被 A 的移动构造（A(A&&)）引用，从而延长生命周期，并将这个右值中的指针拿到，保存到了 obj 中，而将亡值的指针被设置为 nullptr，防止了这块内存区域被销毁。
从而避免了无意义的拷贝构造，加强了性能。再来看看涉及标准库的例子：
#include <iostream> // std::cout
#include <utility> // std::move
#include <vector> // std::vector
#include <string> // std::string
int main() {
std::string str = "Hello world.";
std::vector<std::string> v;
// 将使用 push_back(const T&), 即产生拷贝行为
v.push_back(str);
// 将输出 "str: Hello world."
std::cout << "str: " << str << std::endl;
// 将使用 push_back(const T&&), 不会出现拷贝行为
// 而整个字符串会被移动到 vector 中，所以有时候 std::move 会用来减少拷贝出现的开销
// 这步操作后, str 中的值会变为空
v.push_back(std::move(str));
// 将输出 "str: "
std::cout << "str: " << str << std::endl;
return 0;
}
2.1完美的移动转发
前面我们提到了，一个声明的右值引用其实是一个左值。这就为我们进行参数转发（传递）造成了问题：
void reference(int& v) {
std::cout << "左值" << std::endl;
}
void reference(int&& v) {
std::cout << "右值" << std::endl;
}
template <typename T>
void pass(T&& v) {
std::cout << "普通传参:";
reference(v); // 始终调用 reference(int&)
}
int main() {
std::cout << "传递右值:" << std::endl;
pass(1); // 1是右值, 但输出是左值
std::cout << "传递左值:" << std::endl;
int l = 1;
pass(l); // l 是左值, 输出左值
return 0;
}
对于 pass(1) 来说，虽然传递的是右值，但由于 v 是一个引用，所以同时也是左值。 因此 reference(v) 会调用 reference(int&)，输出『左值』。 而对于pass(l)而言，l是一个左值，为什么会成功传递给 pass(T&&) 呢？
这是基于引用坍缩规则的：在传统 C++ 中，我们不能够对一个引用类型继续进行引用， 但 C++ 由于右值引用的出现而放宽了这一做法，从而产生了引用坍缩规则，允许我们对引用进行引用， 既能左引用，又能右引用。但是却遵循如下规则：
| 函数形参类型 | 实参参数类型 | 推导后函数形参类型 |
| T& | 左引用 | T& |
| T& | 右引用 | T& |
| T&& | 左引用 | T& |
| T&& | 右引用 | T&& |
因此，模板函数中使用 T&& 不一定能进行右值引用，当传入左值时，此函数的引用将被推导为左值。 更准确的讲，无论模板参数是什么类型的引用，当且仅当实参类型为右引用时，模板参数才能被推导为右引用类型。 这才使得 v 作为左值的成功传递。
完美转发就是基于上述规律产生的。所谓完美转发，就是为了让我们在传递参数的时候， 保持原来的参数类型（左引用保持左引用，右引用保持右引用）。 为了解决这个问题，我们应该使用 std::forward 来进行参数的转发（传递）：
#include <iostream>
#include <utility>
void reference(int& v) {
std::cout << "左值引用" << std::endl;
}
void reference(int&& v) {
std::cout << "右值引用" << std::endl;
}
template <typename T>
void pass(T&& v) {
std::cout << " 普通传参: ";
reference(v);
std::cout << " std::move 传参: ";
reference(std::move(v));
std::cout << " std::forward 传参: ";
reference(std::forward<T>(v));
std::cout << "static_cast<T&&> 传参: ";
reference(static_cast<T&&>(v));
}
int main() {
std::cout << "传递右值:" << std::endl;
pass(1);
std::cout << "传递左值:" << std::endl;
int v = 1;
pass(v);
return 0;
}
输出结果为：
传递右值:
普通传参: 左值引用
std::move 传参: 右值引用
std::forward 传参: 右值引用
static_cast<T&&> 传参: 右值引用
传递左值:
普通传参: 左值引用
std::move 传参: 右值引用
std::forward 传参: 左值引用
static_cast<T&&> 传参: 左值引用
无论传递参数为左值还是右值，普通传参都会将参数作为左值进行转发， 所以 std::move 总会接受到一个左值，从而转发调用了reference(int&&) 输出右值引用。
唯独 std::forward 即没有造成任何多余的拷贝，同时完美转发(传递)了函数的实参给了内部调用的其他函数。
std::forward 和 std::move 一样，没有做任何事情，std::move 单纯的将左值转化为右值， std::forward 也只是单纯的将参数做了一个类型的转换，从现象上来看， std::forward<T>(v) 和 static_cast<T&&>(v) 是完全一样的。
读者可能会好奇，为何一条语句能够针对两种类型的返回对应的值， 我们再简单看一看 std::forward 的具体实现机制，std::forward 包含两个重载：
template<typename _Tp>
constexpr _Tp&& forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type& __t) noexcept
{ return static_cast<_Tp&&>(__t); }
template<typename _Tp>
constexpr _Tp&& forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type&& __t) noexcept
{
static_assert(!std::is_lvalue_reference<_Tp>::value, "template argument"
" substituting _Tp is an lvalue reference type");
return static_cast<_Tp&&>(__t);
}
在这份实现中，std::remove_reference 的功能是消除类型中的引用， std::is_lvalue_reference 则用于检查类型推导是否正确，在 std::forward 的第二个实现中 检查了接收到的值确实是一个左值，进而体现了坍缩规则。
当 std::forward 接受左值时，_Tp 被推导为左值，所以返回值为左值；而当其接受右值时， _Tp 被推导为 右值引用，则基于坍缩规则，返回值便成为了 && + && 的右值。 可见 std::forward 的原理在于巧妙的利用了模板类型推导中产生的差异。
这时我们能回答这样一个问题：为什么在使用循环语句的过程中，auto&& 是最安全的方式？ 因为当 auto 被推导为不同的左右引用时，与 && 的坍缩组合是完美转发。
到此这篇关于C++右值引用与移动构造函数基础与应用详解的文章就介绍到这了,更多相关C++右值引用内容请搜索北冥有鱼以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持北冥有鱼！
