【C++11】右值引用和移动语义
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，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。
1.1 什么是左值？什么是左值引用？
那到底什么是左值？什么是左值引用呢？
左值是一个表示数据的表达式（如变量或解引用的指针），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，也可以出现在赋值符号的右边。（定义时const修饰符后的左值，不能给他赋值，但是可以取它的地址，所以也是左值） 左值引用就是对左值的引用，给左值取别名。
比如：
其实就是我们之前学习的引用。
1.2 什么是右值？什么是右值引用？
那右值又是什么呢？右值引用又是什么呢？
右值也是一个表示数据的表达式，如：字面常量、匿名对象、表达式返回值，函数返回值(一般是传值返回，不能是左值引用返回)等等，右值只能出现在赋值符号的右边，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。
比如：
1.3 注意
需要注意的是：
右值不能取地址，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。 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。
1.4 思考
左值引用可以给右值取别名（引用右值）吗？
一般情况下是不能的
这样是不是权限放大啊（运算结果一般也放到临时变量里面存一下，临时变量具有常性） 所以我们加一个const就行了
那右值引用可以给左值取别名（引用左值）吗？
是不行的。 但是
右值引用可以给move之后的左值取别名。 那move是啥呢？
move是库里面的一个函数，它可以把传入的参数arg转换为右值引用（移动语义） 大家先了解一下，move我们后面还会说。
2. 左值引用与右值引用总结
我们再来总结一下
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
右值引用总结：
- 右值引用只能右值，不能引用左值。
- 但是右值引用可以move以后的左值。
那从上面的内容来看：
左值引用其实既可引用左值，也可引用右值（加const就行了）
那为什么还要搞出右值引用来呢？有什么意义呢？
3. 右值引用的使用场景和意义
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？是不是画蛇添足呢？ 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！
3.1 左值引用的使用场景
左值引用做参数和做返回值都可以提高效率
比如：
3.2 左值引用的短板
首先这里我们自己来造一个string，因为直接用库里面的string不好观察：
#pragma once
namespace bit
{
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(char* str)" << endl;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
// s1.swap(s2)
void swap(string& s)
{
::swap(_str, s._str);
::swap(_size, s._size);
::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;
}
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
};
}大家可以先看一下上面的string，都实现了哪些功能，这里没有实现的太全
那么右值引用的短板：
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，这种情况就不能避免拷贝的消耗。
比如：
首先，针对上面的string，我们再补充一个+ 的重载（string+字符）
大家看，+这个函数返回的就是局部对象，所以不能返回引用。 那这种情况我们之前说过，由于tmp这个局部对象函数调用结束就销毁了，所以这里会产生一个临时对象（是tmp的拷贝）作为返回值。 然后main函数里面我这样写：
在分析上面的情况之前，再给大家补充一点：
就算有些地方会把右值分为两种——纯右值和将亡值 一般可以认为内置类型的右值是纯右值，自定义类型的右值是将亡值。 怎么理解将亡？ 就是将要死亡，即即将被销毁的右值。一般对于将亡值我们可以直接转移它的资源来减少拷贝的消耗。（将亡值一般是针对自定义类型去谈的，因为一般自定义类型才需要考虑提高效率这些概念。所以上面才说一般认为自定义类型的右值是将亡值，且一般是深拷贝的自定义类型。）
然后我们来分析一下上面给出的场景
先看一下运行结果
看，首先第一个ret1=s，这其实是一个拷贝构造嘛，那对于string要深拷贝，这没什么问题。 那对于第二个我们看到打印了两个深拷贝。 🆗，那第一个其实是重载+的函数里面进行的
那然后这里值返回所以会产生一个临时对象，然后这个临时对象再拷贝给ret2（调拷贝构造），所以两个深拷贝。
但是：
对于第二个来说：
s + '!'按照我们上面说的他是不是就是一个将亡值啊（这里是一个临时对象保存返回值，然后它赋给ret2之后就销毁了）。 那大家想，对于一个将亡值，我们还有没有必要再去拷贝它。 其实没必要，针对这样的情况我们可以对它做一个单独的处理。
3.3 右值引用和移动语义解决上述问题（移动构造）
那首先我们要把这两种不同情况区分开来，因为对于将亡值我们不想再调拷贝构造了：
那首先右值引用的出现呢就使得我们可以把这两种情况区分开来。 因为上面这两种情况一个是左值一个是右值
那分开之后对于将亡值的右值我们可以怎么处理呢？ 🆗，上面说了对于将亡值我们可以直接移动它的资源——移动拷贝 所以我们可以重载一个移动拷贝的函数
具体怎么做呢？ 我们直接把把这个右值交换给我们要构造的string对象就行了，相当于进行资源的转移，就减少了拷贝，反正你这个将亡值马上就要被销毁了。
我们再来运行看看
这次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。
在bit::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，占为已有，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。
库里面其实C++11之后就给容器都增加了这个：
3.4 move的使用
还是上面这个场景：
如果对于ret1的拷贝构造我也想使用资源转移的移动构造来让s构造ret1呢？ 但是s是左值啊。 🆗，这时我们就可以使用上面提到的move函数了
看这次就没有调深拷贝了，而是移动拷贝 那s的资源是否真的被转移走了呢？ 我们来看一下
没有问题，确实如此。 但是这样如果我们后面使用s它就为空了，所以也不能随便使用move，在合适的场景下应用
move函数的参数是一个通用引用（universal reference），既可以接受左值类型，也可以接受右值类型。返回值是传递进来的参数的右值引用 move只是返回值为右值引用，并不会真正改变参数的属性。它的作用是告诉编译器，我们希望对该对象执行移动操作，以便能够使用移动构造函数或移动赋值运算符。 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引用。 C++11中，std::move()函数位于头文件中，该函数名字具有迷惑性，它并不搬移任何东西，唯一的功能就是返回参数的右值引用（并不会真正改变参数的属性），然后实现移动语义。
3.5 移动赋值
不仅仅有移动构造，还有移动赋值
我们来看一个对应的场景：
给上面的string增加一个to_string函数
然后我们先看一段这样的代码
用to_string来拷贝构造一个string对象 我们来分析一下，如果是C++98，没有右值引用的情况下，应该是这样的
这种类似的情况我们之前是分析过的，就不多说了。 那C++11有了右值引用之后呢？现在我把移动构造放开（注释取消掉）
那这里编译器肯定优化了，应该是这样的
那大家看，不考虑优化的话： 首先to_string返回str，str是一个局部对象（在函数里面str肯定是一个左值），所以这里会产生一个临时对象，这个临时对象是一个将亡值，所以它会去移动构造valStr。 那优化的话就直接拿str去构造valStr，但是！ 欸？ 我们发现优化之后是一个移动构造。可是！在这个函数里面str是一个左值啊，它是一个可以取地址的变量。 所以这里编译器其实做了一件事情： 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，直接把资源转移给了valStr（肯定是在str析构之前）。
然后我们来说移动赋值：
现在我把代码变成这样：
先定义一个string对象，然后把to_string的返回结果赋值给string对象s1 现在我还没有写移动赋值，string里面的赋值重载还是我们之前学的深拷贝的赋值
我们来运行一下看看
是这样的一个结果。 首先第一个移动拷贝就是我们上面分析的，返回值str被识别成了右值，直接移动构造临时变量，然后临时变量赋值给了s1 为什么后面打印两次深拷贝？
因为我们的赋值重载里面复用了拷贝构造。
但是，对于这里to_string返回产生的临时变量，他也是一个将亡值啊，所以我们没必要进行深拷贝的赋值，就可以直接进行移动赋值：
直接转移资源 然后我们再来运行看看
这样就减少了深拷贝，提升了效率。 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接收，编译器就没办法优化了（一般连续的构造或连续的拷贝构造才会优化，这里是一个拷贝构造+赋值）。 bit::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做为bit::to_string函数调用的返回值赋值给ret1，这里调用的移动赋值。
C++11给STL中的容器都增加了移动构造和移动赋值。
其它容器我就不一一截图了
3.6 右值引用版本的插入接口函数
那其实除了移动构造和移动赋值之外：
C++11给STL中容器的插入数据接口函数也都增加右值引用的版本
我们来看一下：
比如list的push_back接口
那增加了右值引用的版本，有什么作用或者说有什么好处呢？ 🆗，那相信经过上一篇文章的学习，大家应该就能猜出来它的作用了
我们来分析一下：
我们给出这样一个场景：
大家看这两个Push_back有什么区别？ 我们来分析一下： 第一个push_back的是s1，s1是一个string对象，是一个左值，所以他调用的push_back就算左值引用的那个版本。 那我们之前模拟实现过的，push_back里面要new一个结点链接到底层的链表上，那结点里面存的是string，所以这里必然要进行string的深拷贝。
那第二个push_back呢？ 第二个插入的是move(s1)，那move返回的是s1的右值引用，所以这里就会调第二个右值引用版本的push_back。 那这样的话push_back里面创建新结点时，string的拷贝构造会调哪个，是不是就调的是移动拷贝了
那我们来运行看看是不是如我们分析的一样
🆗，没有问题。 那哪一个效率高？ 第二个不需要深拷贝，直接移动资源，当然是右值引用版本的push_back效率高。
当然我们上面那样写，lt.push_back(move(s1))之后s1的资源被转移，它里面就空了
所以正常情况下我们可能不会这样用，除非你就是想把s1的资源转移走。
我们一般可能习惯这样写：
首先第一个push_back的就是一个匿名对象吗？ 匿名对象是左值还是右值啊？ 当然是右值了
我们试一下也会发现它不能取地址，而且匿名对象的声明周期只在它所处的那一行，可以认为就是一个将亡值嘛。 然后第二个push_back 呢？ 常量字符串也是右值。 所以这里调的就算右值引用版本的push_back，那就是两个移动拷贝，这样效率是很高的
当然这是C++11之后，如果是C++98就是两个深拷贝
当然不止push_back有右值引用版本，其实的只要是插入数据的接口insert啥的C++11也都提供了右值引用的版本，我们就不全部演示了
简单总结一下：
4. 用到的代码
4.1 string.h
#pragma once
namespace bit
{
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(char* str)" << endl;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
// s1.swap(s2)
void swap(string& s)
{
::swap(_str, s._str);
::swap(_size, s._size);
::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);
}
// 移动构造
string(string&& s)
:_str(nullptr)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动拷贝" << endl;
swap(s);
}
// 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;
}
// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << 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;
}
string operator+(char ch)
{
string tmp(*this);
tmp += ch;
return tmp;
}
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
};
string to_string(int value)
{
bool flag = true;
if (value < 0)
{
flag = false;
value = 0 - value;
}
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;
}
}4.2 Test.cpp
#include <iostream>
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左值引用
// int*& rp = p;
// int& rb = b;
// const int& rc = c;
// int& pvalue = *p;
// return 0;
//}
//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;
// rr1 = 20;
// 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;
//}
//int main()
//{
// int a = 10;
// int b = 3;
//
// const int& ret = a + b;
//
// int&& c = move(a);
// return 0;
//}
//int main()
//{
// // 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;
// return 0;
//}
//int main()
//{
// // 右值引用只能右值，不能引用左值。
// int&& r1 = 10;
//
// // message : 无法将左值绑定到右值引用
// int a = 10;
// int&& r2 = a;
// // error C2440: “初始化”: 无法从“int”转换为“int &&”
//
// // 右值引用可以引用move以后的左值
// int&& r3 = move(a);
// return 0;
//}
//#include <string>
//void func1(string s)
//{}
//void func2(const string& s)
//{}
//int main()
//{
// string s1("hello world");
// // func1是传值调用要进行拷贝，
// //func2左值引用做参数减少了拷贝，提高效率
// func1(s1);
// func2(s1);
//
// // 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;
//}
#include <assert.h>
#include "string.h"
//int main()
//{
// bit::string s("hello world");
// bit::string ret1 = move(s);
//
// //cout << "-----------------" << endl;
// //bit::string ret2 = s + '!';
// return 0;
//}
//int main()
//{
// bit::string s1;
// s1 = bit::to_string(1234);
//
// return 0;
//}
//int main()
//{
// string s("hello world");
// string ret1 = move(s);
// cout << ret1 << endl;
// return 0;
//}
#include <list>
#include <string>
int main()
{
list<bit::string> l;
l.push_back(bit::string("2222222"));
l.push_back("3333333");
//bit::string s1("1111");
//
//lt.push_back(s1);
//cout << "-----------" << endl;
//lt.push_back(move(s1));
return 0;
}腾讯云开发者
