【C++11】右值引用詳解

文章目錄

  • 前言
  • 1. 左、右值的概念
    • 1.1 左值
    • 1.2 右值
    • 1.3 右值引用
  • 2. 右值引用的價值和使用場景
    • 2.1 左值引用的價值和缺陷
    • 2.2 右值引用的價值和使用場景
    • 2.3 小結
  • 3. 完美轉發
  • 4. 類的移動構造和移動賦值

前言

在C++11之前，面對C++11之前出現的臨時對象的傳參構造，都只有老老實實進行深拷貝一份。但是C++11引入一個新的概念和語法特性（右值和右值引用），進而解決臨時對象的深拷貝問題等等。

本文章小編主要從以下幾個方面來帶讀者認識右值：

  1. 左、右值的概念
  2. 右值引用的價值和應用場景
  3. 完美轉發
  4. 類的移動構造和移動賦值

注：小編的代碼環境VS2022。

1. 左、右值的概念

1.1 左值

  • 左值：

    左值是指具有明確存儲位置（內存地址）的表達式，通常可以出現在賦值語句的左側。左值的特點是持久性，即其生命周期超出表達式求值的范圍。

    兩個特征：

    1. 可以取地址。
    2. 可以被賦值。（常變量不可被修改）

例1：

int main()
{int p = 10; //普通整型變量int* a = new int(10); //普通整型指針const int c = 10; //普通常變量"1111111"; //字符串變量return 0;
}

上面代碼中的p,a,c,"1111111"都是左值。它們的共同特點都是：可以被取地址。

1.2 右值

  • 右值：

    右值是指臨時對象或沒有持久存儲位置的表達式，通常只能出現在賦值語句的右側。右值的特點是短暫性，其生命周期通常僅限于當前表達式。

    兩個特征：

    1. 不能取地址。
    2. 不能出現在表達式左邊。（特例《C++ Primer》中有提到）

例2：

int main()
{int x = 0, y = 1;
// --------------------10;'c';x + y; //表達式計算結果min(x, y); //函數返回結果return 0;
}

類似于上面的10,'c',x + y, min(x, y)這樣的常量或者表達式求值都是屬于右值。它們的特點都是：不能被取地址，即沒有具體的存儲位置！

1.3 右值引用

認識了右值以后，我們來認識右值引用

左值小編已經出過一片文章了：左值引用。這里就不再過多贅訴了。

  • 右值引用：就是對右值取別名。
  • 語法形式：：&&。例如：int&& p = 10;這個p就是10的別名。

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;
}

引用都是一樣的，都是為左值或者右值取別名（這里有坑，我們后面在完美轉發小節的時候會填）

  • 現在我們思考一個問題？

    左值引用可以引用右值嗎？右值引用可以引用左值嗎？

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++標準庫中的move函數可以將一個左值返回一個右值return 0;
}

move的語法詞典

move這個函數可以將左值轉化為右值返回。std::move本質上是一個靜態類型轉換（static_cast），不涉及任何運行時計算或內存操作。其典型實現如下：

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&&代表萬能引用，即既可以又來引用左值、也可以用來引用右值。

  • 結論：可以左值引用引用右值，右值引用引用左值。

2. 右值引用的價值和使用場景

進入右值引用的價值之前，我們先來回顧一下左值引用的價值。進而找出左值引用的缺陷，然后再引入右值引用的價值。

  • 我們先來看一個前置知識。方便后續的理解

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;
}

上面的代碼正確嗎？即問題是：左值和右值引用能夠構成重載嗎？

在這里插入圖片描述

顯然：這里的const T&和T&&構成函數重載而且沒有調用歧義。在調用的時候，編譯器會調用類型更匹配的函數。

  • 前置知識：擁有右值屬性的值會調用右值屬性的參數的函數。

2.1 左值引用的價值和缺陷

補充：減少拷貝多用于自定義類型中，內置類型拷貝消耗不大。主要考慮自定義類型的拷貝。

  • 價值：

    1. 做函數參數，減少拷貝。
    2. 做返回值，減少拷貝。

  • 缺陷：

    1. 當我們一個函數需要返回一個臨時對象的時候，這個時候我們不能返回一個臨時對象的左值引用！！！

      結果是未知的。

2.2 右值引用的價值和使用場景

我們再看左值引用的使用缺陷：無法返回一個具有臨時性的對象。

右值不就是用來引用一個臨時性的對象嗎？

大致我們能夠明白了：右值引用的語法是用來解決左值引用沒有解決的歷史性問題的！！！

接下來，我們詳細探討一個右值引用的價值（自定義類型string為例）

下面是手寫的一個string.h文件，便于我們觀察拷貝的細節。

namespace Er //防止命名沖突
{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);}// 拷貝構造string(const string& s):_str(nullptr){cout << "string(const string& s) -- 深拷貝" << endl;string tmp(s._str);swap(tmp);}// 賦值重載string& operator=(const string& s){cout << "string& operator=(string s) -- 深拷貝" << 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; // 不包含最后做標識的\0};
}
  • 我們先聚焦于這兩個成員函數：
    在這里插入圖片描述
    來看下面的場景，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;
}

上面代碼中如果沒有編譯器的優化，會進行兩次深拷貝（拋開我們實現的swap之外）這樣的開始是十分恐怖的！原因就在于我們函數返回的參數是一個右值。我們不得不進行深拷貝。

在這里插入圖片描述

對于上面的右值我們有新概念：

  • 對于內置類型的右值：純右值。
  • 對于自定義類型的右值：將亡值。

如果我們更想減少拷貝，反正將亡值都快要消失了，那么我們是不是可以將將亡值的成員直接給我交換過來？我的數據和其交換，這樣效率是否會大大提高？是的，這就是移動語義的構造和賦值的主要思想！！！

此時，String.h中添加兩個函數：

// 移動構造
string(string&& s) noexcept:_str(nullptr), _size(0), _capacity(0)
{cout << "string(string&& s) -- 移動語義" << endl;swap(s);
}
// 移動賦值
string& operator=(string&& s) noexcept
{cout << "string& operator=(string&& s) -- 移動語義" << endl;swap(s);return *this;
}

noexcept是表示該函數不會拋異常。swap是自己實現的成員函數Er::string::swap。
由于s是一個將亡值，所以我們直接用this指針指向的內容進行交換，不需要過多的拷貝！！
極大地提高了效率

再來運行上面的例6：

在這里插入圖片描述

對面圖片中提出的這個問題，如果我們需要右值返回，那么我們返回的值是否需要是一個右值呢？是的，但是str并不是一個右值，相反它是一個左值！！

但是為什么調用了移動構造了呢？
先前也有例子，這里再談一遍：因為函數返回不是返回的變量，而是返回的是一個臨時變量！！
函數返回值是一個臨時變量，是一個右值并不是左值！

所以總結一下：

  • 使用場景一：右值引用可以用于做函數參數，可用于將亡值對于對象的構造或者賦值。
  • 價值：在接受函數返回值、臨時變量的時候減少深拷貝。

例7：

//頭文件已包含
int main()
{Er::string s; //正常構造Er::string tmp("aaaaa"); //語句一s = "xxxxxx"; //語句二s = std::move(tmp); //右值的移動賦值return 0;
}

來看運行結果：
在這里插入圖片描述

二者都是移動語義

下面進行補充：

  • 補充一，關于到底是調用什么拷貝或者賦值函數：

例8：

//頭文件已包含
int main()
{Er::string str1("aaaaa"); //語句一//Er::string str2(move("aaaaa")); //語句二 不要對常量進行moveEr::string tmp = "xxxxx";move(tmp);Er::string str3(tmp); //語句三str1 = "xxxxx"; //語句四return 0;
}
  • 前置：字符串常量是一個左值類型。類型為：const char* const。

關于運行結果，小編給出提示，讀者下來自己理解：

  1. 函數重載，參數傳入類型更匹配的地方。解決語句一，語句三。
  2. 隱式類型轉化導致的參數發生變化。解決語句四。
  • 補充二，關于move：

例9：
在這里插入圖片描述

  • 我們應該認識到：move的返回值是一個右值引用，并不是將傳入的參數改為右值……

  • 驗證：
    在這里插入圖片描述

  • 使用場景二：作為函數參數，用于一些常用的接口增中。

例如STL中C++11各個容器都添加了新的接口：
在這里插入圖片描述
在這里插入圖片描述
……

2.3 小結

右值引用的價值和使用場景：

  • 價值：解決了左值引用沒有解決的臨時對象返回的問題，大大地減少了深拷貝的消耗。

  • 使用場景：

    1. 移動構造和移動賦值
    2. 一些接口的設計

3. 完美轉發

在前面1.3右值引用時提到了T&&代表完美引用。同時也可以解決上面在1.3留的一個坑。

來看下面一個場景：

例10：

//頭文件已經正確包含
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;
}
  • 來看運行結果：
    在這里插入圖片描述

    結果全是左值？這是為什么呢？？？

關于這個問題，我們先回到1.3的例3：

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

對于語句一來說：p1是左值還是右值呢？
在這里插入圖片描述

右值引用居然是一個左值？？？

  • 不管是左值引用還是右值引用，形參的屬性都是左值屬性！！！

如果形參屬性不是左值屬性，那么我們之前代碼所寫的swap(s)這樣的代碼還能成功嗎？這也是編譯器做出的優化，將右值引用的屬性改為左值屬性，這樣更有利于我們的設計。

那么對于這樣的萬能引用，我們應該如何來保持其原有屬性呢？

這就要講到我們所用的完美轉發了：

  • 函數std::forward。forward詞典
    在這里插入圖片描述
  • 作用：在傳參過程中保持對象原生屬性。

回到上面的例11：

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

在這里插入圖片描述

結果完美正確

所以現在再來看STL設計的容器接口，一定是運用到了完美轉發！！！

4. 類的移動構造和移動賦值

  • 針對移動構造函數和移動賦值運算符重載有一些需要注意的點如下：

    1. 如果你沒有自己實現移動構造函數，且沒有實現析構函數 、拷貝構造、拷貝賦值重載中的任意一個。那么編譯器會自動生成一個默認移動構造。

      默認生成的移動構造函數，對于內置類型成員會執行逐成員按字節拷貝，自定義類型成員，則需要看這個成員是否實現移動構造，如果實現了就調用移動構造，沒有實現就調用拷貝構造。

    2. 如果你沒有自己實現移動賦值重載函數，且沒有實現析構函數 、拷貝構造、拷貝賦值重載中的任意一個，那么編譯器會自動生成一個默認移動賦值。

      默認生成的移動賦值重載函數，對于內置類型成員會執行逐成員按字節拷貝，自定義類型成員，則需要看這個成員是否實現移動賦值，如果實現了就調用移動賦值，沒有實現就調用拷貝賦值。(默認移動賦值跟上面移動構造完全類似)

    3. 如果你提供了移動構造或者移動賦值，編譯器不會自動提供拷貝構造和拷貝賦值

簡要概括：

(涉及深拷貝：實現析構函數 、拷貝構造、拷貝賦值重載中的任意一個)、

  1. 不涉及深拷貝的類不需要寫，編譯器自動提供
  2. 涉及深拷貝的類需要寫，編譯器不提供。
  3. 一旦自己寫了，編譯器就不再提供。

完。

  • 小編希望這篇文章能夠幫助你！

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