左值引用、右值引用、移動(dòng)語義、完美轉(zhuǎn)發(fā)，你知道的不知道的都在這里

眾所周知C++11新增了右值引用，談?dòng)抑狄梦覀円部梢詳U(kuò)展一些相關(guān)概念：

• 左值

• 右值

• 純右值

• 將亡值

• 左值引用

• 右值引用

• 移動(dòng)語義

• 完美轉(zhuǎn)發(fā)

• 返回值優(yōu)化

程序喵下面會(huì)一一介紹：

左值、右值

概念1：

左值：可以放到等號(hào)左邊的東西叫左值。

右值：不可以放到等號(hào)左邊的東西就叫右值。

概念2：

左值：可以取地址并且有名字的東西就是左值。

右值：不能取地址的沒有名字的東西就是右值。

舉例：

int a = b + c; 

a是左值，有變量名，可以取地址，也可以放到等號(hào)左邊, 表達(dá)式b+c的返回值是右值，沒有名字且不能取地址，&(b+c)不能通過編譯，而且也不能放到等號(hào)左邊。

int a = 4; // a是左值，4作為普通字面量是右值

左值一般有：

• 函數(shù)名和變量名

• 返回左值引用的函數(shù)調(diào)用

• 前置自增自減表達(dá)式++i、--i

• 由賦值表達(dá)式或賦值運(yùn)算符連接的表達(dá)式(a=b, a += b等)

• 解引用表達(dá)式*p

• 字符串字面值"abcd"

純右值、將亡值

純右值和將亡值都屬于右值。

純右值

運(yùn)算表達(dá)式產(chǎn)生的臨時(shí)變量、不和對(duì)象關(guān)聯(lián)的原始字面量、非引用返回的臨時(shí)變量、lambda表達(dá)式等都是純右值。

舉例：

• 除字符串字面值外的字面值

• 返回非引用類型的函數(shù)調(diào)用

• 后置自增自減表達(dá)式i++、i--

• 算術(shù)表達(dá)式(a+b, a*b, a&&b, a==b等)

• 取地址表達(dá)式等(&a)

將亡值

將亡值是指C++11新增的和右值引用相關(guān)的表達(dá)式，通常指將要被移動(dòng)的對(duì)象、T&&函數(shù)的返回值、std::move函數(shù)的返回值、轉(zhuǎn)換為T&&類型轉(zhuǎn)換函數(shù)的返回值，將亡值可以理解為即將要銷毀的值，通過“盜取”其它變量內(nèi)存空間方式獲取的值，在確保其它變量不再被使用或者即將被銷毀時(shí)，可以避免內(nèi)存空間的釋放和分配，延長變量值的生命周期，常用來完成移動(dòng)構(gòu)造或者移動(dòng)賦值的特殊任務(wù)。

舉例：

class A { xxx;};A a;auto c = std::move(a); // c是將亡值auto d = static_cast<A&&>(a); // d是將亡值

根據(jù)名字大概就可以猜到意思，左值引用就是對(duì)左值進(jìn)行引用的類型，右值引用就是對(duì)右值進(jìn)行引用的類型，他們都是引用，都是對(duì)象的一個(gè)別名，并不擁有所綁定對(duì)象的堆存，所以都必須立即初始化。

type &name = exp; // 左值引用type &&name = exp; // 右值引用

看代碼：

int a = 5;int &b = a; // b是左值引用b = 4;int &c = 10; // error，10無法取地址，無法進(jìn)行引用const int &d = 10; // ok，因?yàn)槭浅Ｒ?，引用常量?shù)字，這個(gè)常量數(shù)字會(huì)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，可以取地址

右值引用

如果使用右值引用，那表達(dá)式等號(hào)右邊的值需要時(shí)右值，可以使用std::move函數(shù)強(qiáng)制把左值轉(zhuǎn)換為右值。

int a = 4;int &&b = a; // error, a是左值int &&c = std::move(a); // ok

移動(dòng)語義

談移動(dòng)語義前，我們首先需要了解深拷貝與淺拷貝的概念

深拷貝、淺拷貝

直接拿代碼舉例:

class A {public: A(int size) : size_(size) { data_ = new int[size]; } A(){} A(const A& a) { size_ = a.size_; data_ = a.data_; cout << "copy " << endl; } ~A() { delete[] data_; } int *data_; int size_;};int main() { A a(10); A b = a; cout << "b " << b.data_ << endl; cout << "a " << a.data_ << endl; return 0;}

上面代碼中，兩個(gè)輸出的是相同的地址，a和b的data_指針指向了同一塊內(nèi)存，這就是淺拷貝，只是數(shù)據(jù)的簡單賦值，那再析構(gòu)時(shí)data_內(nèi)存會(huì)被釋放兩次，導(dǎo)致程序出問題，這里正常會(huì)出現(xiàn)double free導(dǎo)致程序崩潰的，但是不知道為什么我自己測試程序卻沒有崩潰，能力有限，沒搞明白，無論怎樣，這樣的程序肯定是有隱患的，如何消除這種隱患呢，可以使用如下深拷貝：

class A {public: A(int size) : size_(size) { data_ = new int[size]; } A(){} A(const A& a) { size_ = a.size_; data_ = new int[size_]; cout << "copy " << endl; } ~A() { delete[] data_; } int *data_; int size_;};int main() { A a(10); A b = a; cout << "b " << b.data_ << endl; cout << "a " << a.data_ << endl; return 0;}

聊完了深拷貝淺拷貝，可以聊聊移動(dòng)語義啦：

移動(dòng)語義，在程序喵看來可以理解為轉(zhuǎn)移所有權(quán)，之前的拷貝是對(duì)于別人的資源，自己重新分配一塊內(nèi)存存儲(chǔ)復(fù)制過來的資源，而對(duì)于移動(dòng)語義，類似于轉(zhuǎn)讓或者資源竊取的意思，對(duì)于那塊資源，轉(zhuǎn)為自己所擁有，別人不再擁有也不會(huì)再使用，通過C++11新增的移動(dòng)語義可以省去很多拷貝負(fù)擔(dān)，怎么利用移動(dòng)語義呢，是通過移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)。

class A {public: A(int size) : size_(size) { data_ = new int[size]; } A(){} A(const A& a) { size_ = a.size_; data_ = new int[size_]; cout << "copy " << endl; } A(A&& a) { this->data_ = a.data_; a.data_ = nullptr; cout << "move " << endl; } ~A() { if (data_ != nullptr) { delete[] data_; } } int *data_; int size_;};int main() { A a(10); A b = a; A c = std::move(a); // 調(diào)用移動(dòng)構(gòu)造函數(shù) return 0;}

std::vector<string> vecs;...std::vector<string> vecm = std::move(vecs); // 免去很多拷貝

完美轉(zhuǎn)發(fā)

完美轉(zhuǎn)發(fā)指可以寫一個(gè)接受任意實(shí)參的函數(shù)模板，并轉(zhuǎn)發(fā)到其它函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)會(huì)收到與轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)完全相同的實(shí)參，轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)實(shí)參是左值那目標(biāo)函數(shù)實(shí)參也是左值，轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)實(shí)參是右值那目標(biāo)函數(shù)實(shí)參也是右值。那如何實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)呢，答案是使用std::forward()。

void PrintV(int &t) { cout << "lvalue" << endl;}
void PrintV(int &&t) { cout << "rvalue" << endl;}
template<typename T>void Test(T &&t) { PrintV(t); PrintV(std::forward<T>(t));
 PrintV(std::move(t));}
int main() { Test(1); // lvalue rvalue rvalue int a = 1; Test(a); // lvalue lvalue rvalue Test(std::forward<int>(a)); // lvalue rvalue rvalue Test(std::forward<int&>(a)); // lvalue lvalue rvalue Test(std::forward<int&&>(a)); // lvalue rvalue rvalue return 0;}

分析

• Test(1)：1是右值，模板中T &&t這種為萬能引用，右值1傳到Test函數(shù)中變成了右值引用，但是調(diào)用PrintV()時(shí)候，t變成了左值，因?yàn)樗兂闪艘粋€(gè)擁有名字的變量，所以打印lvalue，而PrintV(std::forward<T>(t))時(shí)候，會(huì)進(jìn)行完美轉(zhuǎn)發(fā)，按照原來的類型轉(zhuǎn)發(fā)，所以打印rvalue，PrintV(std::move(t))毫無疑問會(huì)打印rvalue。

• Test(a)：a是左值，模板中T &&這種為萬能引用，左值a傳到Test函數(shù)中變成了左值引用，所以有代碼中打印。

• Test(std::forward<T>(a))：轉(zhuǎn)發(fā)為左值還是右值，依賴于T，T是左值那就轉(zhuǎn)發(fā)為左值，T是右值那就轉(zhuǎn)發(fā)為右值。

返回值優(yōu)化

返回值優(yōu)化(RVO)是一種C++編譯優(yōu)化技術(shù)，當(dāng)函數(shù)需要返回一個(gè)對(duì)象實(shí)例時(shí)候，就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)對(duì)象并通過復(fù)制構(gòu)造函數(shù)將目標(biāo)對(duì)象復(fù)制到臨時(shí)對(duì)象，這里有復(fù)制構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)會(huì)被多余的調(diào)用到，有代價(jià)，而通過返回值優(yōu)化，C++標(biāo)準(zhǔn)允許省略調(diào)用這些復(fù)制構(gòu)造函數(shù)。

那什么時(shí)候編譯器會(huì)進(jìn)行返回值優(yōu)化呢?

• return的值類型與函數(shù)的返回值類型相同

• return的是一個(gè)局部對(duì)象

看幾個(gè)例子:

示例1：

std::vector<int> return_vector(void) { std::vector<int> tmp {1,2,3,4,5}; return tmp;}std::vector<int> &&rval_ref = return_vector();

const std::vector<int>& rval_ref = return_vector();

示例2：

std::vector<int>&& return_vector(void) { std::vector<int> tmp {1,2,3,4,5}; return std::move(tmp);}
std::vector<int> &&rval_ref = return_vector();

示例3：

std::vector<int> return_vector(void) { std::vector<int> tmp {1,2,3,4,5}; return std::move(tmp);}
std::vector<int> &&rval_ref = return_vector();

和示例1類似，std::move一個(gè)臨時(shí)對(duì)象是沒有必要的，也會(huì)忽略掉返回值優(yōu)化。

最好的代碼：

std::vector<int> return_vector(void) { std::vector<int> tmp {1,2,3,4,5}; return tmp;}
std::vector<int> rval_ref = return_vector();

這段代碼會(huì)觸發(fā)RVO，不拷貝也不移動(dòng)，不生成臨時(shí)對(duì)象。

參考資料

《Effective Modern C++》

《深入應(yīng)用C++11：代碼優(yōu)化與工程級(jí)應(yīng)用》

https://blog.csdn.net/u0105

https://www.jianshu.com/p/4538483a1d8a

https://www.cnblogs.com/xkfz007/articles/2506022.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/97128024

https://zh.cppreference.com/w/cpp/utility/forward

https://www.zhihu.com/question/43513150

https://stackoverflow.com/questions/4986673/c11-rvalues-and-move-semantics-confusion-return-statement?lq=1

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