一、右值引用和移动语义
C++11更新后，容器中增加的新方法有插入接口函数的右值引用版本
这些接口的意义在哪？网上都说它们能提高效率，它们是如何提高效率的？
请看下面的右值引用和移动语义的介绍。另外emplace还涉及模板的可变参数
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中新增了的右值引用语法特性。无论左值引用还是右值引用，都是给对象取别名。
- 什么是左值？什么是左值引用？
左值是一个表示数据的表达式(如变量名或解引用的指针)，我们可以获取它的地址，可以对它赋
值，左值可以出现赋值符号的左边，右值不能出现在赋值符号左边。
定义时const修饰后的左值，不能给它赋值，但是可以取它的地址。左值引用就是左值的引用，给左值取别名。
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左值引用
int*& rp = p;
int& rb = b;
const int& rc = c;
int& pvalue = *p;
return 0;
}
- 什么是右值？什么是右值引用？
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(这个不能是左值引
用返回)等等，右值可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现出现在赋值符号的左边，右值不能取地址。右值引用就是对右值的引用，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;
}
需要注意的是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，也就是说例如：不能取字面量10的地址，但是rr1引用后，可以对rr1取地 址，也可以修改rr1。如果不想rr1被修改，可以用const int&& rr1 去引用， 这个了解一下实际中右值引用的使用场景并不在于此，这个特性也不重要。
int main()
{
double x = 3.14, y = 1.73;
int&& rr1 = 10;
const double&& rr2 = x + y;
rr1 = 20;
rr2 = 5.5; // 报错
return 0;
}
2. 左值引用与右值引用比较
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左值引用既可引用左值，也可引用右值。
// 左值引用只能引用左值，不能引用右值。
int a = 10;
int& ra1 = a; // ra为a的别名
//int& ra2 = 10; // 编译失败，因为10是右值
// const左值引用既可引用左值，也可引用右值。
const int& ra3 = 10;
const int& ra4 = a;
右值引用总结：
- 右值引用只能引用右值，不能引用左值。
- 但是右值引用可以引用move以后的左值。
// 右值引用只能右值，不能引用左值。
int&& r1 = 10;
// error C2440: “初始化”: 无法从“int”转换为“int &&”
// message : 无法将左值绑定到右值引用
int a = 10;
int&& r2 = a;
// 右值引用可以引用move以后的左值
int&& r3 = std::move(a);
3. 右值引用使用场景和意义
前面我们可以看到左值引用既可以引用左值又可以引用右值，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！
模拟实现的string：
namespace nb
{
class string
{
public:
typedef char* iterator;
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
string(const char* str = "")
:_size(strlen(str)),
_capacity(_size)
{
cout << "string(const char* str)" << endl;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
// s1.swap(s2)
void swap(string& s)
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
// 拷贝构造
string(const string& s)
:_str(nullptr)
{
cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s._str);
swap(tmp);
}
// 赋值重载
string& operator=(const string& s)
{
cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s);
swap(tmp);
return *this;
}
// 移动构造
string(string&& s)
:_str(nullptr)
, _size(0), _capacity(0)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动语义" << endl;
swap(s);
}
// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动语义" << endl;
swap(s);
return *this;
}
~string()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
}
char& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity)
{
char* tmp = new char[n + 1];
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
_capacity = n;
}
}
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;
}
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
};
}
- 左值引用的使用场景：
做参数和做返回值都可以提高效率。
void func1(nb::string s)
{
cout << "func1" << endl;
}
void func2(const nb::string& s)
{
cout << "func2" << endl;
}
int main()
{
nb::string s1("hello world");
// func1和func2的调用我们可以看到左值引用做参数减少了拷贝，提高效率的使用场景和价值
func1(s1);// 存在拷贝
func2(s1);// 不存在拷贝
// string operator+=(char ch) 传值返回存在深拷贝
// string& operator+=(char ch) 传左值引用没有拷贝提高了效率
s1 += '!';
return 0;
}
- 左值引用的短板：
但是当函数返回对象是一个局部变量，出了函数作用域就不存在了，就不能使用左值引用返回，只能传值返回。
例如：nb::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)。
to_string的返回值是一个右值，用这个右值构造ret1，如果没有移动构造，调用就会匹配调用拷贝构造，因为const左值引用是可以引用右值的，这里就是一个深拷贝。
- 右值引用和移动语义解决上述问题：
在nb::string中增加移动构造，移动构造本质是将参数右值的资源窃取过来，占为己有，那么就不用做深拷贝了，所以它叫做移动构造，就是窃取别人的资源来构造自己。
// 移动构造
string(string&& s)
:_str(nullptr)
, _size(0), _capacity(0)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动语义" << endl;
swap(s);
}
// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动语义" << endl;
swap(s);
return *this;
}
再运行上面nb::to_string的两个调用，我们会发现，这里没有调用深拷贝的拷贝构造，而是调用了移动构造，移动构造中没有新开空间，拷贝数据，所以效率提高了。
to_string的返回值是一个右值，用这个右值构造ret2，如果既有拷贝构造又有移动构造，调用就会匹配调用移动构造，因为编译器会选择最匹配的参数调用，那么这里就是一个移动语义。
这里运行后，我们看到调用了一次移动构造和一次移动赋值。因为如果是用一个已经存在的对象ret1接收，编译器就没办法优化了。
nb::to_string函数中会先用str生成构造生成一个临时对象，但是我们可以看到，编译器很聪明的在这里把str识别成了右值，调用了移动构造。然后再把这个临时对象作为nb::to_string函数调用的返回值赋值给ret1，这里调用的移动赋值。
4. 右值引用引用左值
按照语法，右值引用只能引用右值，但右值引用一定不能引用左值吗？不一定
因为：有些场景下，可能真的需要用右值去引用左值实现移动语义。当需要用右值引用引用一个左值时，可以通过move 函数将左值转化为右值。
C++11中，std::move()函数位于<utility> 头文件中，该函数名字具有迷惑性， 它并不搬移任何东西，唯一的功能就是将一个左值强制转化为右值引用，然后实现移动语义。
template<class _Ty>
inline typename remove_reference<_Ty>::type&& move(_Ty&& _Arg) _NOEXCEPT
{
// forward _Arg as movable
return ((typename remove_reference<_Ty>::type&&)_Arg);
}
int main()
{
nb::string s1("hello world");
// 这里s1是左值，调用的是拷贝构造
nb::string s2(s1);
// 这里我们把s1 move处理以后, 会被当成右值，调用移动构造
// 但是这里要注意，一般是不要这样用的
// 因为我们会发现s1的资源被转移给了s3，s1被置空了。
nb::string s3(std::move(s1));
return 0;
}
int main()
{
std::list<nb::string>;
nb::string s1("11");
// 下面这一行调用的是拷贝构造
lt.push_back(s1);
// 下面调用都是移动构造
lt.push_back("22");
lt.push_back(std::move(s1));
return 0;
}
5. 完美转发
- 模板中的
&&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。
模板的万能引用只是提供了能够同时接收左值引用和右值引用的能力，但是引用类型的唯一作用就是限制了接收的类型，后续使用中都退化成了左值，我们希望能够在传递过程中保持它的左值或者右值的属性, 就需要用到完美转发
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;
}
template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)// 万能引用
{
Fun(t);
}
int main()
{
PerfectForward(10);// 右值
int a = 10;
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;
}
std::forward 完美转发在传参的过程中保留对象原生类型属性
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;
}
// std::forward<T>(t)在传参的过程中保持了t的原生类型属性。
template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)// 万能引用
{
Fun(std::forward<T>(t));
}
int main()
{
PerfectForward(10);// 右值
int a = 10;
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;
}
完美转发实际中的使用场景：
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode* _next = nullptr;
ListNode* _prev = nullptr;
T _data;
};
template<class T>
class List
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
List()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
void PushBack(T&& x)
{
//Insert(_head, x);
// std::forward 完美转发在传参的过程中保留对象原生类型属性
Insert(_head, std::forward<T>(x));
}
void PushFront(T&& x)
{
//Insert(_head->_next, x);
Insert(_head->_next, std::forward<T>(x));
}
void Insert(Node* pos, T&& x)
{
Node* prev = pos->_prev;
Node* newnode = new Node;
newnode->_data = std::forward<T>(x); // 关键位置
// prev newnode pos
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = pos;
pos->_prev = newnode;
}
void Insert(Node* pos, const T& x)
{
Node* prev = pos->_prev;
Node* newnode = new Node;
newnode->_data = x; // 关键位置
// prev newnode pos
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = pos;
pos->_prev = newnode;
}
private:
Node* _head;
};
int main()
{
List<nb::string> lt;
lt.PushBack("11");
lt.PushFront("22");
return 0;
}
二、新的类功能
1. 新的默认成员函数
原来C++类中，有6个默认成员函数：
- 构造函数
- 析构函数
- 拷贝构造函数
- 拷贝赋值重载
- 取地址重载
- const 取地址重载
最重要的是前4个，后两个用处不大。默认成员函数就是我们不写编译器会生成一个默认的。
C++11 新增了两个：移动构造函数和移动赋值运算符重载。
针对移动构造函数和移动赋值运算符重载有一些需要注意的点如下：
- 如果你没有自己实现移动构造函数，且没有实现析构函数 、拷贝构造、拷贝赋值重载中的任意一个。那么编译器会自动生成一个默认移动构造。
默认生成的移动构造函数，对于内置类型成员会执行逐成员按字节拷贝（浅拷贝），自定义类型成员，则需要看这个成员是否实现移动构造，如果实现了就调用移动构造，没有实现就调用拷贝构造。 - 如果你没有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意一个，那么编译器会自动生成一个默认移动赋值。
默认生成的移动构造函数，对于内置类型成员会执行逐成员按字节拷贝，自定义类型成员，则需要看这个成员是否实现移动赋
值，如果实现了就调用移动赋值，没有实现就调用拷贝赋值。(默认移动赋值跟上面移动构造完全类似) - 如果你提供了移动构造或者移动赋值，编译器不会自动提供拷贝构造和拷贝赋值。
class Person
{
public:
Person(const char* name = "", int age = 0)
:_name(name),
_age(age)
{}
// 实现任意一个系统就不会生成默认移动构造、移动赋值
/*Person(const Person& p)
:_name(p._name),
_age(p._age)
{}
Person& operator=(const Person& p) {
if (this != &p) {
_name = p._name;
_age = p._age;
}
return *this;
}
~Person() {}*/
private:
nb::string _name;
int _age;
};
int main()
{
Person s1;
Person s2 = s1;
Person s3 = std::move(s1);
Person s4; s4 = std::move(s2);
return 0;
}
2. 类成员变量初始化
C++11允许在类定义时给成员变量初始缺省值，默认生成构造函数会使用这些缺省值初始化
class A
{
int a = 10;// 给成员变量初始缺省值
};
3. default关键字的新功能
强制生成默认函数的关键字default
C++11可以让你更好的控制要使用的默认函数。假设你要使用某个默认的函数，但是因为一些原因这个函数没有默认生成。
比如：我们提供了拷贝构造，就不会生成移动构造了，那么我们可以
使用default关键字显示指定移动构造生成。
class Person
{
public:
Person(const char* name = "", int age = 0)
:_name(name),
_age(age)
{}
Person(const Person& p)
:_name(p._name),
_age(p._age)
{}
Person& operator=(const Person& p) {
if (this != &p) {
_name = p._name;
_age = p._age;
}
return *this;
}
~Person() {}
// 强制生成默认的移动构造和移动赋值
Person(Person&& p) = default;
Person& operator=(Person&& p) = default;
private:
nb::string _name;
int _age;
};
4. delete关键字的新功能
禁止生成默认函数的关键字delete:
如果能想要限制某些默认函数的生成，在C++98中，是将该函数设置成private，并且只声明不实现，这样只要其他人想要调用就会报错。
class A
{
public:
A(int a = 0)
:_a(a)
{}
private:
A(const A& a);// 只声明不实现
int _a;
};
int main()
{
A a;
A a2(a);// error
return 0;
}
在C++11中更简单，只需在该函数声明加上=delete即 可，该语法指示编译器不生成对应函数的默认版本，称=delete修饰的函数为删除函数
class A
{
public:
A(int a = 0)
:_a(a)
{}
A(const A& a) = delete;
private:
int _a;
};
int main()
{
A a;
A a2(a);// error
return 0;
}
三、模板的可变参数
C++11的新特性可变参数模板能够创建可以接受可变参数的函数模板和类模板，相比C++98，类模版和函数模版中只能含固定数量的模版参数，可变模版参数无疑是一个巨大的改进。
然而由于可变模版参数比较抽象，使用起来需要一定的技巧，所以这块还是比较晦涩的，这里只简单介绍。
下面就是一个基本可变参数的函数模板
// Args是一个模板参数包，args是一个函数形参参数包
// 声明一个参数包Args...args，这个参数包中可以包含0到任意个模板参数
template <class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{}
上面的参数args前面有省略号，所以它就是一个可变模版参数，我们把带省略号的参数称为“参数包”，它里面包含了0到N（N>=0）个模版参数。
我们无法直接获取参数包args中的每个参数的， 只能通过展开参数包的方式来获取参数包中的每个参数，这是使用可变模版参数的一个主要特点，也是最大的难点，即如何展开可变模版参数。
由于语法不支持使用args[i]这样方式获取可变参数，所以我们的用一些奇招来一 一获取参数包的值。
- 递归函数方式展开参数包
// 递归终止函数 -- 只有一个参数时调用
template <class T>
void ShowList(const T& t)
{
cout << t << endl;
}
// 展开函数
template <class T, class ...Args>
void ShowList(T value, Args... args)// 第一个传给value，剩下的传给args
{
cout << value << " ";
ShowList(args...);
}
int main()
{
ShowList(1);
ShowList(1, 'A');
ShowList(1, 'A', std::string("string"));
return 0;
}
- 逗号表达式展开参数包
template <class T>
void PrintArg(T t)
{
cout << t << " ";
}
// expand展开函数
template <class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
int arr[] = { (PrintArg(args), 0)... };
cout << endl;
}
int main()
{
ShowList(1);
ShowList(1, 'A');
ShowList(1, 'A', std::string("string"));
return 0;
}
这种展开参数包的方式，不需要通过递归终止函数，是直接在 expand 函数体中展开的，PrintArg 不是一个递归终止函数，只是一个处理参数包中每一个参数的函数。
这种就地展开参数包的方式实现的关键是逗号表达式。我们知道逗号表达式会按顺序执行逗号前面的表达式。
expand 函数中的逗号表达式：(PrintArg(args), 0) 也是按照这个执行顺序，先执行 PrintArg(args)，再得到逗号表达式的结果0。
同时还用到了 C++11 的另外一个特性——初始化列表，通过初始化列表来初始化一个变长数组, {(PrintArg(args), 0)…} 将会展开成 (PrintArg(arg1),0),PrintArg(arg2),0), (PrintArg(arg3),0), etc… )，最终会创建一个元素值都为 0 的数组 int arr[sizeof…(Args)]。
由于是逗号表达式，在创建数组的过程中会先执行逗号表达式前面的部分 PrintArg(args) 打印出参数，也就是说在构造 int 数组的过程中就将参数包展开了，这个数组的目的纯粹是为了在数组构造的过程展开参数包
- STL容器中的empalce相关接口函数
template <class... Args>
void emplace_back (Args&&... args);
首先我们看到的 emplace系列的接口，支持模板的可变参数，并且万能引用。
那么它相对insert和push系列接口的优势到底在哪里呢？
int main()
{
std::list< std::pair<int, char> > lt;
// emplace_back支持可变参数，拿到构建pair对象的参数后自己去创建对象
// 那么在这里除了用法上，和push_back没什么太大的区别
lt.emplace_back(10, 'a');
lt.emplace_back(20, 'b');
lt.emplace_back(make_pair(30, 'c'));
lt.push_back(make_pair(40, 'd'));
lt.push_back({ 50, 'e' });
for (auto e : lt)
cout << e.first << ":" << e.second << endl;
return 0;
}
int main()
{
// 下面我们试一下带有拷贝构造和移动构造的nb::string
// emplace_back是直接移动构造
// push_back是先构造，再移动构造
std::list<std::pair<int, nb::string> > lt;
lt.emplace_back(10, "ten");
lt.emplace_back(make_pair(20, "twenty"));
lt.push_back(make_pair(30, "thirty"));
lt.push_back({ 40, "forty" });
return 0;
}
