【C++】右值引用和移动语义（详细解析）

news2024/11/27 17:52:04

文章目录

  • 1.左值引用和右值引用
    • 左值引用
    • 右值引用
  • 2.左值引用和右值引用的比较
    • 左值引用总结
    • 右值引用总结
  • 3.右值引用的使用场景和意义
    • 知识点1
    • 知识点2
    • 知识点3
    • 知识点4
    • 总结
  • 4.完美转发
    • 万能引用
    • 见识完美转发的使用
    • 完美转发的使用场景

1.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。

左值引用

  1. 左值是一个表示数据的表达式（如变量名或解引用的指针）；
  2. 我们可以获取它的地址；
  3. 我们可以对它赋值；
  4. 左值可以出现在赋值符号的左边，也可以出现在赋值符号的右边；
  5. 定义const修饰符后的左值，不能给它赋值，但是可以取它的地址；
  6. 左值引用就是给左值引用，即给左值取别名。

使用方法：

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

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引用
	int*& rp = p;
	int& rb = b;
	const int& rc = c;
	int& pvalue = *p;

	return 0;
}

右值引用

  1. 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，函数返回值等等）；
  2. 右值引用可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现在赋值符号的左边。
  3. 右值不能取地址。
  4. 右值就是对右值的引用，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;
}

一定要注意：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，我们本来不能取字面量10的地址，但是rr1引用后，导致我们可以对rr1取地址了，也可以修改rr1，这个时候rr1就变成左值了。如果不想rr1被修改，可以用const int&& rr1去引用，为什么用const修饰之后就可以了呢？因为——x+y这个表达式的返回值是临时变量，临时变量具有常性，所以用const修饰之后就不会报错了。

int main()
{
	double x = 1.1, y = 2.2;
	x + y;
	10;
	int&& rr1 = 10;
	const double&& rr2 = x + y;

	rr1 = 20;
	//rr2 = 5.5; //报错

	return 0;
}

2.左值引用和右值引用的比较

注意两点：

  • 能不能取地址是区分左值引用和右值引用的主要区别。
  • 不能认为有分配空间的就是左值引用，没有被分配空间的就是右值引用。因为在上述的例子中，x+y表达式是右值，但是实际上它是占用空间的，表达式的返回值存储在临时变量中。

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修饰的左值引用可以给右值取别名，也可以引用左值
int main()
{
	//左值
	int a = 10;
	//左值引用可以引用左值
	int& ra1 = a;
	//左值引用不能引用右值
	int& ra2 = 10;//编译失败，因为10常量是右值

	//const修饰的左值引用可以引用左值，也可以引用右值
	const int& ra3 = a;
	const int& ra4 = 10;
	
	return 0;
}

右值引用总结

  • 右值引用只能给右值取别名，不能引用左值
  • 但是右值引用可以给move后的左值取别名
int main()
{
	int a = 0;
	int b = 1;
	int* p = &a;

	a + b;

	//右值引用可以给右值取别名
	int&& raf1 = 10;
	int&& raf2 = a + b;

	//右值引用可以给move后的左值取别名
	int&& raf3 = a;//报错：无法将右值引用绑定到左值
	int&& raf3 = std::move(a);
}

3.右值引用的使用场景和意义

出现右值的原因之一：可以把左值和右值区分开。
我们来看以下代码，函数名都为func，但是参数不同，一个是左值引用，一个是右值引用，我们来看看能否运行成功，将左值和右值区分开。

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
void func(int& a)
{
	cout << "void func(int& a)" << endl;
}
void func(int&& a)
{
	cout << "void func(int&& a)" << endl;
}
int main()
{
	int a = 0;
	int b = 1;
	func(a);//这里a是左值
	func(a + b);//这里a+b是右值

	return 0;
}

运行结果：OK，编译通过，运行正确。所以虽然函数名相同，但是由于参数不同，调用的函数也不同。
最重要的是我们把左值和右值区分出来了。
在这里插入图片描述

前面我们可以看到左值引用既可以引用左值和又可以引用右值，那为什么C++11还要提出右值引用呢？是不是化蛇添足呢？下面我们来看看左值引用的短板，右值引用是如何补齐这个短板的！

左值引用存在的短板：

之前我们学习过 左值引用可以直接减少拷贝。

  1. 左值引用传参；
  2. 传引用返回。

但是如果函数内是局部对象，局部对象出了函数作用域那块空间就销毁了，这种情况下是不能用引用返回的。 对引用还不太理解的宝子可以先看这篇文章：【C++】引用&详细解析

右值引用如何解决左值引用存在的短板?

对于右值，有些书上又将其分为纯右值和将亡值。纯右值一般是内置类型，将亡值一般是自定义类型。如果右值将亡了，还对它进行深拷贝代价是有点高的，所以对于右值（将亡值），我们采用的是资源转移，即不重新开辟空间。上图！
在这里插入图片描述
接下来，我们来看几个例子，这样能更加理解左值引用和右值引用。

知识点1

例一：这里采用的是自定义string类。便于调试观察每个步骤调用的是什么函数。

在这里插入图片描述

知识点2

例二：下面是一个可以将整型转换成字符串的函数——注意是传值返回。同样用的是自定义的string类，这样调试时便于观察每个步骤调用的是哪个函数。

namespace nan
{
	nan::string to_string(int value)
	{
		bool flag = true;
		if (value < 0)
		{
			flag = false;
			value = 0 - value;
		}
		nan::string str;
		while (value > 0)
		{
			int x = value % 10;
			value /= 10;
			str += ('0' + x);
		}
		if (flag == false)
		{
			str += '-';
		}
		std::reverse(str.begin(), str.end());
		return str;
	}
}
int main()
{
	// 在nan::string to_string(int value)函数中可以看到，这里
	// 只能使用传值返回，传值返回会导致至少1次拷贝构造(如果是一些旧一点的编译器可能是两次拷
	//贝构造)。
	nan::string ret1 = nan::to_string(1234);
	return 0;
}

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
解释例2：返回时，由于编译器做了优化，将返回值（左值）通过某种方式转变成了右值（将亡值），所以直接采用了移动构造，即先调用了移动构造函数，然后才调用了析构函数。、

知识点3

move是库里面的函数，如果右值想引用左值，用上move函数即可。但是move函数不能随便乱用哦，大家看下面这个代码，先构造了s1，然后用s1拷贝构造s2，s1是左值，第3句代码想将s1通过move函数转换成右值，进行移动构造。
但是从运行结果我们发现，s1的家竟被s3偷了，所以一定要辨别使用场景，不能乱用move函数。

在这里插入图片描述
注意：move函数不是将s1转换成右值，而是move函数的返回值是右值。
这样写就不会被偷家了：
在这里插入图片描述

知识点4

C++11以后，STL所有的容器都增加了移动构造：
在这里插入图片描述
并且STL所有的容器的插入数据接口都增加了右值引用版本。
在这里插入图片描述
那么有什么意义呢？
在这里插入图片描述
第一种尾插方式采用的是拷贝构造函数——深拷贝，所以会再拷贝出一份s1，然后插入链表中，通过下面的调试窗口，可以看出原来的字符串s1还存在。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
第二种尾插方式采用的是移动构造——浅拷贝，直接转移资源，将前面深拷贝构造出来的s1直接拿来尾插，不需要再深拷贝构造一个s1，又大大提高了效率。但是，通过调试窗口发现，s1被偷家了，悬空了！所以要注意一下这点。
在这里插入图片描述

总结

问题：匿名对象属于左值还是右值？——答案：匿名对象是右值。

在这里插入图片描述
总结：

  1. C++98，只有拷贝构造；C++11之后，既有拷贝构造，也有移动构造；
  2. 左值引用减少拷贝，提高效率，右值引用也是减少拷贝，提高效率，但是它们的角度不同，左值引用是直接减少拷贝，右值引用是间接减少拷贝，编译器先识别数据是左值还是右值，如果是右值，则不再深拷贝，直接移动拷贝（直接移动资源），提高效率。

4.完美转发

万能引用

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。

栗子如下：

template<class T>
void PerfectForward(T&& t)
{
	//...
}

然后我们现在通过下列代码，观察一个现象：

下面重载了四个Func函数，这四个Func函数的参数类型分别是左值引用、const左值引用、右值引用和const右值引用。在主函数中调用PerfectForward函数时分别传入左值、右值、const左值和const右值，在PerfectForward函数中再调用Func函数。如下：

#include<iostream>
using namespace std;

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(引用折叠)：既可以引用左值，也可以引用右值
template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{
	Fun(t);
}

int main()
{
	PerfectForward(10);           // 右值

	int a;
	PerfectForward(a);            // 左值
	PerfectForward(std::move(a)); // 右值

	const int b = 8;
	PerfectForward(b);		      // const 左值
	PerfectForward(std::move(b)); // const 右值

	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
由于PerfectForward函数的参数类型是万能引用，因此既可以接收左值也可以接收右值，而我们在PerfectForward函数中调用Func函数，就是希望调用PerfectForward函数时传入左值、右值、const左值、const右值，能够匹配到对应版本的Func函数。但实际调用PerfectForward函数时传入左值和右值，最终都匹配到了左值引用版本的Func函数，调用PerfectForward函数时传入const左值和const右值，最终都匹配到了const左值引用版本的Func函数。

在这里插入图片描述

造成这种结果的原因：

根本原因就是：右值被引用后会导致右值被存储到特定位置，这时这个右值可以被取到地址，并且可以被修改，所以在PerfectForward函数中调用Func函数时会将t识别成左值。因为右值默认具有常性，右值引用后属性是左值，这样才能实现资源转移。
在这里插入图片描述

也就是说，右值经过一次参数传递后其属性会退化成左值，如果想要在这个过程中保持右值的属性，就需要用到完美转发。

见识完美转发的使用

保持原有属性的关键：要想在参数传递过程中保持其原有的属性，需要在传参时调用std::forward函数。

#include<iostream>
using namespace std;

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(引用折叠)：既可以引用左值，也可以引用右值
template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{
	// std::forward<T>(t)在传参的过程中保持了t的原生类型属性。
	Fun(forward<T>(t));
}

int main()
{
	PerfectForward(10);           // 右值

	int a;
	PerfectForward(a);            // 左值
	PerfectForward(std::move(a)); // 右值

	const int b = 8;
	PerfectForward(b);		      // const 左值
	PerfectForward(std::move(b)); // const 右值

	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

完美转发的使用场景

下面模拟实现了一个简化版的list类，类当中分别提供了左值引用版本和右值引用版本的push_back和insert函数。

namespace zxn
{
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		T _data;
		ListNode* _next = nullptr;
		ListNode* _prev = nullptr;
	};
	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> node;
	public:
		//构造函数
		list()
		{
			_head = new node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
		//左值引用版本的push_back
		void push_back(const T& x)
		{
			insert(_head, x);
		}
		//右值引用版本的push_back
		void push_back(T&& x)
		{
			insert(_head, std::forward<T>(x)); //完美转发
		}
		//左值引用版本的insert
		void insert(node* pos, const T& x)
		{
			node* prev = pos->_prev;
			node* newnode = new node;
			newnode->_data = x;

			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = pos;
			pos->_prev = newnode;
		}
		//右值引用版本的insert
		void insert(node* pos, T&& x)
		{
			node* prev = pos->_prev;
			node* newnode = new node;
			newnode->_data = std::forward<T>(x); //完美转发

			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = pos;
			pos->_prev = newnode;
		}
	private:
		node* _head; //指向链表头结点的指针
	};
}

在这里插入图片描述
如果我们没有使用std::forward完美转发，会导致运行结果全是拷贝构造函数，即深拷贝。

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