【仿写C++中的move函数和forward函数】

news2024/11/19 19:42:34

仿写实现move函数

一、值的类型

在这里插入图片描述

1.左值

描述：能够取地址的值成为左值

int a = 10;
const int b = 15;
int *pa = &a;
const int *pb = &b;

2.纯右值

描述：赤裸裸的字面值 eg(false , 3 , 12.23等)

int a = 13;
int *p = &a;  //取a的地址
int *ptr = &13; //错误，13是一个字面量，无法取地址

如字面常量 103， 12.23， nullptr；不可以取地址， 称为为纯右值。

3.将亡值

描述：表达式的运行或计算过程中所产生的临时量或临时对象，称之为将亡值；临时量有可能是字面值，也有可能是一个不具名的对象。

算术表达式（a+b …），逻辑表达式（a || b …），比较表达式（a != b …）取地址表达式（&b)等，产生的计算结果相当于字面量，实际存储在 cpu的寄存器中 ，因为计算结果是字面量，所以为纯右值。

如图 在这里插入图片描述

因为c++是面向对象的，所以 i++ 和 ++i 是不一样的， ++i 相当于 i = i + 1； 所以 不会产生临时变量， 而 i++不同，它相当于 将 i 拷贝一份当做副本，然后将原来的 i 进行加 1 操作，最后将 副本 的值返回。 副本是不具名的，所以是 将亡值，而 返回的值是 字面量 所以 i++ 为纯右值 。

不具名对象如图

在这里插入图片描述

编译后会报错 test.cpp(17): error C2102: “&”要求左值,。

因为 Int(13) 程序运行过程中所产生了不具名对象，将亡值。 不可以取地址, 所以&Int(13)错误 。

int fun()
{
    int value = 10;
    return value;
}
int main()
{
    int i = 0;
    int a = 1;
    i = a + b;
    i++;
    &b;
    a = fun(); //返回时在主栈帧中构造临时量，是将亡值，纯右值。
    return 0;
}

流程图 图 2.2

在这里插入图片描述

当fun函数return 时 ，其栈帧空间会被回收，此时先在主栈帧中创建一个将亡值对象(xvalue) 将返回的值赋给将亡值，回到主函数栈帧中会再将将亡值对象的值赋给 a.

二、引用

基本原则：

1.声明引用的时候必须初始化，且一旦绑定，不可把引用绑定到其他对象；即引用必须初始化，不能对引用重定义

2.对引用的一切操作，就相当于对原对象的操作

1.引用与函数重载

void fun(int& val)
{
	cout << "LeftRef" << endl;
}
void fun(const int & val)
{
    cout << "Const LeftRef" << endl;
}
void fun(int&& val)
{
	cout << "RightRef" << endl;
}
int main()
{
	int a = 10; 
	const int d = 15;
	int&& f = 12; //右值引用f是具名右值引用，编译器会将已命名的右值引用视为左值
	//int&& g = f;  // error,f为具名右值
	fun(a);  
	fun(d);
	fun(f);
    fun(13);
    return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

结论：

​ 1.int& a = 10; 右值引用 a 是具名右值引用。

​ 2.编译器会将已命名的右值引用视为左值,所以不能 int && b = a;

2.函数返回值

int func()
{
    int x = 10;
    cout<<"&x: "<<endl;
    return x;
}

int main()
{
	int a = func();
	//int& b = func(); // error; func返回值为右值.
	const int& c = func(); 
	cout << "&c: " << &c << endl;
	int&& d = func();
	cout << "&d: " << &d << endl;

	return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

结论：1.函数返回值为将亡值（右值）

​ 2.常性左值引用为万能引用，可以接受右值

3.自定义类

class Int  
{
	int val;
public:
	Int(int x = 0) :val(x)
	{
		cout << "Create Int: " << this << endl;
	}
	Int(const Int& it) :val(it.val)
	{
		cout << this<<" Copy Create Int: <= " << &it << endl;
	}
	Int(Int&& it) :val(it.val)
	{
		it.val = 0;
		cout << this<<" Move Create Int: <= " << &it << endl;
	}
	Int& operator=(const Int& it)
	{
		if (this == &it) return *this;
		val = it.val;
		cout << this << " = " << &it << endl;
		return *this;
	}
	Int& operator=(Int&& it)
	{
		if (this == &it) return *this;
		val = it.val;
		it.val = 0;
		cout << this << " <= " << &it << endl;
		return *this;
	}
	~Int() { cout << "Destroy Int: " << this << endl; } 
};

Int func(int x)
{
	Int tmp(x);
	return tmp;
}

int main()
{
	Int a = func(1);
	cout << "--------------------" << endl;
	Int x(0);
	cout << "--------------------" << endl;
	x = func(2);
	cout << "--------------------" << endl;
	//Int& b = func(3);
	const Int& c = func(4);
	cout << "--------------------" << endl;
	Int&& d = func(5);
	cout << "--------------------" << endl; 
	Int f(a);
	cout << "--------------------" << endl;
	return 0;
}

运行结果

在这里插入图片描述

结论：

1.通过右值引用，比之前少了一次移动构造和一次析构，原因在于右值引用绑定了右值，让临时右值的生
命周期延长了 <主栈帧里创建的不具名对象(将亡值)>

2.函数返回值构建过程和之前分析的一样（ 图 2.2 ）

三、std::move的实现

原理：

本质上是将左值强制转换为右值引用，调用对象的移动构造和移动赋值函数，实现对资源的转移。

优点：

当一个对象内部有较大的堆内存或者动态数组时，进行深拷贝会占用cpu资源，而浅拷贝释放资源时会造成对堆区进行重复释放导致非法访问。使用move()语义可以提高性能

使用范围：

move 对于拥有形如对内存、堆区等资源的成员的对象有效

1.未定义的引用类别 && （函数模板中）

template <class _Ty>
void fun(_Ty&&  x) //未定义的引用类型，它必须被初始化，它是左值还是右值引用，取决于它的初始化
{
    int z = 10;
    _Ty y = z;
}
int main()
{
    int a = 1;
    const int b = 2;
    int& c = a;
    const int& d = b;
    fun(10);  
    fun(a);
    fun(b);
    fun(c);
    fun(d);
    return 0;
}

fun(a),fun©： x 的类型为 int& ，y的类型为 int&;

fun(b),fun(d)：x的类型为 const int& ,y的类型为const int&;

fun(10)：x的类型为 int&& , y 的类型为 int,不具有引用；

结论：

  1. _Ty && 与左值，普通左值引用结和，_Ty为左值引用

  2. _Ty&& 与左值常引用结合，_Ty为左值常性引用

  3. _Ty&& 与右值结合时，_Ty只保留类型，不具有引用属性

  4. _Ty&& 不会破坏掉 对象的const属性

实现流程：

1.我们需用去除对象的引用属性
template <class _Ty>
struct my_remove_reference
{
    using type = _Ty;

};
template <class _Ty>
struct my_remove_reference<_Ty &>
{
    using type = _Ty;

};
template <class _Ty>
struct my_remove_reference<_Ty &&>
{
    using type = _Ty;
    
};
2.加入适配器，简化代码
template <class _Ty>
using my_remove_reference_t = typename my_remove_reference<_Ty>::type;
3.转换为右值
template <class _Ty>
my_remove_reference_t<_Ty> && my_move(_Ty &&x)
{
    return static_cast<my_remove_reference_t<_Ty>&&>(x);
}

典型错误：使用c语言中的强制类型转换

template <class _Ty>
my_remove_reference_t<_Ty> && my_move(_Ty &&x)
{ 
   return (my_remove_reference_t<_Ty>&&)x; //error,不能使用c语言中的强制类型转换
}

因为常性对象的资源是不能进行移动修改的，而强制类型转换会破坏这一平衡点，而c++的静态类型转换刚好不会去掉const属性。

四、实现forward函数

原理：

利用引用叠加，按照参数原来的值类型转发到另一个函数

先来看std::forward()函数示例

void print(int& val)
{
    cout<<"LReference"<<endl;
}
void print(const int& val)
{
    cout<<"const LReference"<<endl;
}
void print(int&& val)
{
    cout<<"RReference"<<endl;
}
 
 template<class _Ty>
 void fun(_Ty&& val)
 {
    print(std::forward<_Ty>(val));
 }

int main()
{
  int a = 10;
  const int b = 20;
  int& c = a;
  fun(a);
  fun(b);
  fun(c);
  fun(10);
  system("pause"); 
}

运行结果

在这里插入图片描述

引用叠加：

由于存在 (_Ty&&) 这种未定的引用类型，当它作为参数时，可能被一个左值引用或者右值引用的参数初始化，这时经过类型推导的 _Ty 和右值引用（&&）叠加会发生类型的变化，这种变化被称为引用折叠。

即 static_cast<_Ty &&> (val);

c++中规定：

  1. 所有的右值引用叠加到右值引用上仍然还是一个右值引用。

  2. **所有的其他引用类型之间的叠加都将变成左值引用。

设计forward的参数

  1. 需要接受所有类型的数据 -> 联想到万能引用

  2. 需要保留原来数据的类型 -> 联想到去除引用属性的模板

去除引用属性的模板代码在上文move()函数实现中

1.左值版

template <class _Ty>
_Ty&& my_forward(my_remove_reference_t<_Ty>& Arg)//_Ty保留数据原来的属性
{
    return static_cast<_Ty &&> (Arg);  //此处涉及引用折叠
}

2.右值版 （forward还应支持右值参数）

template <class _Ty>
_Ty&& my_forward(my_remove_reference_t<_Ty>&& Arg)
{
    return static_cast<_Ty &&> (Arg);  //此处涉及引用折叠
}

这样就可以实现和系统的forward相同的功能

测试代码

template <class _Ty>
struct my_remove_reference
{
    using type = _Ty;

};
template <class _Ty>
struct my_remove_reference<_Ty &>
{
    using type = _Ty;

};
template <class _Ty>
struct my_remove_reference<_Ty &&>
{
    using type = _Ty;

};
template <class _Ty>
using my_remove_reference_t = typename my_remove_reference<_Ty>::type;

template <class _Ty>
_Ty &&my_forward(my_remove_reference_t<_Ty> &_Arg)
{
    return static_cast<_Ty &&>(_Arg);
}
template <class _Ty>
_Ty &&my_forward(my_remove_reference_t<_Ty> &&_Arg)
{
    return static_cast<_Ty &&>(_Arg);
}
void print(int& val)
{
    cout<<"LReference"<<endl;
}
void print(const int& val)
{
    cout<<"const LReference"<<endl;
}
void print(int&& val)
{
    cout<<"RReference"<<endl;
}
 template<class _Ty>
 void fun(_Ty&& val)
 {
    print(my_forward<_Ty>(val));
 }

int main()
{
  int a = 10;
  const int b = 20;
  int& c = a;
  fun(a);
  fun(b);
  fun(c);
  fun(10);
  print(my_forward(10));//右值版
}

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