【C++11】右值引用详解

文章目录

  • 前言
  • 1. 左、右值的概念
    • 1.1 左值
    • 1.2 右值
    • 1.3 右值引用
  • 2. 右值引用的价值和使用场景
    • 2.1 左值引用的价值和缺陷
    • 2.2 右值引用的价值和使用场景
    • 2.3 小结
  • 3. 完美转发
  • 4. 类的移动构造和移动赋值

前言

在C++11之前，面对C++11之前出现的临时对象的传参构造，都只有老老实实进行深拷贝一份。但是C++11引入一个新的概念和语法特性（右值和右值引用），进而解决临时对象的深拷贝问题等等。

本文章小编主要从以下几个方面来带读者认识右值：

  1. 左、右值的概念
  2. 右值引用的价值和应用场景
  3. 完美转发
  4. 类的移动构造和移动赋值

注：小编的代码环境VS2022。

1. 左、右值的概念

1.1 左值

  • 左值：

    左值是指具有明确存储位置（内存地址）的表达式，通常可以出现在赋值语句的左侧。左值的特点是持久性，即其生命周期超出表达式求值的范围。

    两个特征：

    1. 可以取地址。
    2. 可以被赋值。（常变量不可被修改）

例1：

int main()
{int p = 10; //普通整型变量int* a = new int(10); //普通整型指针const int c = 10; //普通常变量"1111111"; //字符串变量return 0;
}

上面代码中的p,a,c,"1111111"都是左值。它们的共同特点都是：可以被取地址。

1.2 右值

  • 右值：

    右值是指临时对象或没有持久存储位置的表达式，通常只能出现在赋值语句的右侧。右值的特点是短暂性，其生命周期通常仅限于当前表达式。

    两个特征：

    1. 不能取地址。
    2. 不能出现在表达式左边。（特例《C++ Primer》中有提到）

例2：

int main()
{int x = 0, y = 1;
// --------------------10;'c';x + y; //表达式计算结果min(x, y); //函数返回结果return 0;
}

类似于上面的10,'c',x + y, min(x, y)这样的常量或者表达式求值都是属于右值。它们的特点都是：不能被取地址，即没有具体的存储位置！

1.3 右值引用

认识了右值以后，我们来认识右值引用

左值小编已经出过一片文章了：左值引用。这里就不再过多赘诉了。

  • 右值引用：就是对右值取别名。
  • 语法形式：：&&。例如：int&& p = 10;这个p就是10的别名。

例3：

int main()
{int a = 10;int& ra = a; //左值引用int&& p1 = 10; //右值引用double x = 1.1, y = 3.3;double&& p2 = x + y; //右值引用return 0;
}

引用都是一样的，都是为左值或者右值取别名（这里有坑，我们后面在完美转发小节的时候会填）

  • 现在我们思考一个问题？

    左值引用可以引用右值吗？右值引用可以引用左值吗？

例4：

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{const int& a = 10; //const左值引用可以引用右值int x = 0;int&& b = std::move(x); //C++标准库中的move函数可以将一个左值返回一个右值return 0;
}

move的语法词典

move这个函数可以将左值转化为右值返回。std::move本质上是一个静态类型转换（static_cast），不涉及任何运行时计算或内存操作。其典型实现如下：

template <typename T>
typename std::remove_reference<T>::type&& move(T&& arg) noexcept {return static_cast<typename std::remove_reference<T>::type&&>(arg);
}

模板中的T&&代表万能引用，即既可以又来引用左值、也可以用来引用右值。

  • 结论：可以左值引用引用右值，右值引用引用左值。

2. 右值引用的价值和使用场景

进入右值引用的价值之前，我们先来回顾一下左值引用的价值。进而找出左值引用的缺陷，然后再引入右值引用的价值。

  • 我们先来看一个前置知识。方便后续的理解

例5：

#include<iostream>
using namespace std;
void func(const int& x)
{cout << "void func(const int& x)" << endl;
}void func(int&& x)
{cout << "void func(int&& x)" << endl;
}int main()
{int x = 10;func(10);func(x);return 0;
}

上面的代码正确吗？即问题是：左值和右值引用能够构成重载吗？

在这里插入图片描述

显然：这里的const T&和T&&构成函数重载而且没有调用歧义。在调用的时候，编译器会调用类型更匹配的函数。

  • 前置知识：拥有右值属性的值会调用右值属性的参数的函数。

2.1 左值引用的价值和缺陷

补充：减少拷贝多用于自定义类型中，内置类型拷贝消耗不大。主要考虑自定义类型的拷贝。

  • 价值：

    1. 做函数参数，减少拷贝。
    2. 做返回值，减少拷贝。

  • 缺陷：

    1. 当我们一个函数需要返回一个临时对象的时候，这个时候我们不能返回一个临时对象的左值引用！！！

      结果是未知的。

2.2 右值引用的价值和使用场景

我们再看左值引用的使用缺陷：无法返回一个具有临时性的对象。

右值不就是用来引用一个临时性的对象吗？

大致我们能够明白了：右值引用的语法是用来解决左值引用没有解决的历史性问题的！！！

接下来，我们详细探讨一个右值引用的价值（自定义类型string为例）

下面是手写的一个string.h文件，便于我们观察拷贝的细节。

namespace Er //防止命名冲突
{class string{public:string(const char* str = ""):_size(strlen(str)), _capacity(_size){cout << "string(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;}~string(){delete[] _str;_str = nullptr;}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};
}
  • 我们先聚焦于这两个成员函数：
    在这里插入图片描述
    来看下面的场景，例6：
#include"String.h"
#include<iostream>
using namespace std;
Er::string func()
{Er::string str("xxxxx");return str;
}int main()
{Er::string ret;ret = func();return 0;
}

上面代码中如果没有编译器的优化，会进行两次深拷贝（抛开我们实现的swap之外）这样的开始是十分恐怖的！原因就在于我们函数返回的参数是一个右值。我们不得不进行深拷贝。

在这里插入图片描述

对于上面的右值我们有新概念：

  • 对于内置类型的右值：纯右值。
  • 对于自定义类型的右值：将亡值。

如果我们更想减少拷贝，反正将亡值都快要消失了，那么我们是不是可以将将亡值的成员直接给我交换过来？我的数据和其交换，这样效率是否会大大提高？是的，这就是移动语义的构造和赋值的主要思想！！！

此时，String.h中添加两个函数：

// 移动构造
string(string&& s) noexcept:_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) noexcept
{cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动语义" << endl;swap(s);return *this;
}

noexcept是表示该函数不会抛异常。swap是自己实现的成员函数Er::string::swap。
由于s是一个将亡值，所以我们直接用this指针指向的内容进行交换，不需要过多的拷贝！！
极大地提高了效率

再来运行上面的例6：

在这里插入图片描述

对面图片中提出的这个问题，如果我们需要右值返回，那么我们返回的值是否需要是一个右值呢？是的，但是str并不是一个右值，相反它是一个左值！！

但是为什么调用了移动构造了呢？
先前也有例子，这里再谈一遍：因为函数返回不是返回的变量，而是返回的是一个临时变量！！
函数返回值是一个临时变量，是一个右值并不是左值！

所以总结一下：

  • 使用场景一：右值引用可以用于做函数参数，可用于将亡值对于对象的构造或者赋值。
  • 价值：在接受函数返回值、临时变量的时候减少深拷贝。

例7：

//头文件已包含
int main()
{Er::string s; //正常构造Er::string tmp("aaaaa"); //语句一s = "xxxxxx"; //语句二s = std::move(tmp); //右值的移动赋值return 0;
}

来看运行结果：
在这里插入图片描述

二者都是移动语义

下面进行补充：

  • 补充一，关于到底是调用什么拷贝或者赋值函数：

例8：

//头文件已包含
int main()
{Er::string str1("aaaaa"); //语句一//Er::string str2(move("aaaaa")); //语句二 不要对常量进行moveEr::string tmp = "xxxxx";move(tmp);Er::string str3(tmp); //语句三str1 = "xxxxx"; //语句四return 0;
}
  • 前置：字符串常量是一个左值类型。类型为：const char* const。

关于运行结果，小编给出提示，读者下来自己理解：

  1. 函数重载，参数传入类型更匹配的地方。解决语句一，语句三。
  2. 隐式类型转化导致的参数发生变化。解决语句四。
  • 补充二，关于move：

例9：
在这里插入图片描述

  • 我们应该认识到：move的返回值是一个右值引用，并不是将传入的参数改为右值……

  • 验证：
    在这里插入图片描述

  • 使用场景二：作为函数参数，用于一些常用的接口增中。

例如STL中C++11各个容器都添加了新的接口：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
……

2.3 小结

右值引用的价值和使用场景：

  • 价值：解决了左值引用没有解决的临时对象返回的问题，大大地减少了深拷贝的消耗。

  • 使用场景：

    1. 移动构造和移动赋值
    2. 一些接口的设计

3. 完美转发

在前面1.3右值引用时提到了T&&代表完美引用。同时也可以解决上面在1.3留的一个坑。

来看下面一个场景：

例10：

//头文件已经正确包含
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)
{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;
}
  • 来看运行结果：
    在这里插入图片描述

    结果全是左值？这是为什么呢？？？

关于这个问题，我们先回到1.3的例3：

int main()
{int&& p1 = 10; //语句一return 0;
}

对于语句一来说：p1是左值还是右值呢？
在这里插入图片描述

右值引用居然是一个左值？？？

  • 不管是左值引用还是右值引用，形参的属性都是左值属性！！！

如果形参属性不是左值属性，那么我们之前代码所写的swap(s)这样的代码还能成功吗？这也是编译器做出的优化，将右值引用的属性改为左值属性，这样更有利于我们的设计。

那么对于这样的万能引用，我们应该如何来保持其原有属性呢？

这就要讲到我们所用的完美转发了：

  • 函数std::forward。forward词典
    在这里插入图片描述
  • 作用：在传参过程中保持对象原生属性。

回到上面的例11：

//其余代码保持不变
template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{Fun(std::forward<T>(t)); //即可
}

在这里插入图片描述

结果完美正确

所以现在再来看STL设计的容器接口，一定是运用到了完美转发！！！

4. 类的移动构造和移动赋值

  • 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：

    1. 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，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。

    2. 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。

      默认生成的移动赋值重载函数，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)

    3. 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

简要概括：

(涉及深拷贝：实现析构函数 、拷贝构造、拷贝赋值重载中的任意一个)、

  1. 不涉及深拷贝的类不需要写，编译器自动提供
  2. 涉及深拷贝的类需要写，编译器不提供。
  3. 一旦自己写了，编译器就不再提供。

完。

  • 小编希望这篇文章能够帮助你！

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