【C++】C++11的新特性 --- 右值引用与移动语义

叫我龙翔

发布于 2024-07-20 16:30:20

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发布于 2024-07-20 16:30:20

文章被收录于专栏：就业 C++ 综合学习

1 左值与右值

C++中，一个表达式不是右值就是左值。C语言中：左值可以位于赋值对象的左边，右值则不能。在C++中就没有这么简单了。在C++中的左右值可以通过是否可以取地址来区分：

左值表示一个占据内存中可识别位置的一个对象，有可能是一个表达式。更进一步地，可以对左值取地址
右值即不能进行取地址的值或表达式。包括常量，加减乘除等表达式，临时对象。

PS:左值和右值在内存中都是有地址的，只有左值可以取地址！

左值包括变量名，解引用的指针的等。下面是比较经典的左值，他们都可以进行取地址操作！ 注意左值引用和右值引用都是左值

	int a = 1;
	int* p = &a;
	int** pp = &p;
	const int b = 2;

右值一般是常量，表达式，临时变量 ,对于一个常量肯定是无法取地址的！

&10;
&(1 + 1);
&string("111");

当一个对象被作为右值进行使用时，用的是对象的值（内容）；用做左值时，实际使用的是对象的身份（在内存中的位置）

2 左值引用和右值引用

左值引用就是对左值进行取别名：

	int a = 1;    		int& ra = a;
	int* p = &a;		int*& rp = p

右值引用就是对右值进行取别名：

int&& rra = (1 + 1);
string&& rrb = string("111");
string&& rrb = to_string(111);

左值引用不可以给右值取别名，但是const左值引用可以

const int& ra = 10;
const string& rb = string("111");

右值引用不可以对左值取别名，但是可以给move后的左值取别名.move也是C++11新加入的特性，我们后面讲。

3 引用的意义

在之前，我们使用引用的目的是什么？是为了减少拷贝，提高性能。

void func1(const string& s);//传引用参数
string& func2(const string& s);//传引用返回

但是，引用返回也会出现一些问题，比如一个函数返回临时变量的引用，这时就会出错。临时变量的生命周期只在func2函数，func2函数返回一个临时变量的引用,在函数执行结束，临时变量就会进行销毁！右值引用也无法解决生命周期的问题！

那右值引用的意义在哪里呢？？？我们来看一个情景：(bit::string是自己写的string类，方便看效果)

bit::string ret1 = bit::to_string(1234);

这个会进行几次深拷贝？

按理来说，应该会会进行两次拷贝构造，首先拷贝构造临时变量，然后ret1在拷贝构造。但是编译器进行了一个优化，实际上只进行了一次拷贝构造。

当我们把这个表达式分开写，就不会进行优化了,没有办法合二为一

bit::string ret1;
ret1 = to_string(1234);

这两种情况的拷贝的代价都挺大，有没有一种简单的解决办法来避免进行深拷贝？这里可不能使用左值引用，因为临时变量在该行函数结束就销毁，在主函数里会直接挂掉！使用右值引用会直接报语法错误，因为在to_string中返回值是一个左值，左值是不能被右值引用的！ 如果将该左值进行move()他就可以被右值引用。

bit::string&& to_string(int val)
{
	bit::string str;
	//...
	//处理
	//...
	return move(str);
}

这样运行依旧会挂掉，因为右值引用也是别名，**无法解决生命周期的问题！**这里左值引用和右值引用是没有区别的！栈桢图是这样的：

编译器优化后会只进行一次拷贝构造ret1，但还是进行了深拷贝！

所以这个深拷贝的问题无法通过左值引用或者右值引用来解决！所以就有了移动语义！

4 移动语义

4.1 移动构造与移动赋值

C++11中就加入了一个针对右值引用的拷贝构造 — 移动构造！

PS:左值引用是拷贝构造，右值引用是移动构造！— 构成函数重载

//拷贝构造 --- const 左值可以接收左值和右值
string(const string& s) :
	_str(new char[s._capacity + 1])
	,_size(0)
	,_capacity(0)
{
	cout << "string(const string& s = "")  --- 深拷贝" << endl;
	strcpy(_str, s._str);
	_size = s._size;
	_capacity = s._capacity;
}
//移动构造
string(string&& s)
	:_str(nullptr)
{
	cout << "string(string&& s) --- 移动构造" << endl;
	swap(s);
}

上面我们已经知道了右值引用的的一般类型：匿名对象，传值返回的临时对象

int&& rra = (1 + 1);
string&& rrb = string("111"); //匿名对象
string&& rrb = to_string(111);//传值返回的临时对象

这里进行一下跟细致的区分：纯右值和将亡值

纯右值：内置类型的右值引用是纯右值：int&& a == 10 ；int&& b = (1 + 1);
将亡值：自定义类型的右值引用，生命周期只有一行。

分析一下左值的拷贝构造，因为传入的是一个左值，其有自己的内存中的位置，不能修改！必须进行深度的拷贝。但是如果是一个右值，是一个临时变量的右值引用（将亡值），其生命周期就一行，就可以对其进行修改！

string(string&& s)
	:_str(nullptr)
{
	swap(s);//直接将亡值的替换就可以
}

直接进行替换不就可以了？反正也是将亡的，不用他就直接销毁了，怪可惜的！

**移动构造就是用来解决这个问题的！**通过to_string返回的对左值的move的右值引用,就会调用到移动构造，就避免了深拷贝！（PS:不显式加上move也会调用到移动构造，编译器的优化很强，会强行识别成右值进而进行移动构造！）

移动构造的代价是很低的，因为是使用的同一块地址，没有开辟新的空间！注意移动构造只能对右值进行处理！必须是将亡值才有可以进行移动构造！再来看个例子

int main()
{
	string s1("1111111111111111111");
	string s2 = s1;
	string s3 = move(s1);
}

s2是拷贝构造，开辟了新空间。s3进行移动构造，导致S1和空的s3进行了交换，s1变成了空！

对于分开书写的两行代码，编译器也无法进行优化，会进行两次深拷贝！而有了移动构造和移动赋值，都是对一块资源的移动，成本很低！ 移动构造彻底解决传值返回的性能问题!!!

这里有点像拷贝的现代写法，但是拷贝的现代写法的本质还是开辟空间！

我们来看一个实际使用中的代吗：杨辉三角

class Solution {
public:
    vector<vector<int>> generate(int numRows) {
        vector<vector<int>> vv(numRows) ;

        for(int i = 0;i < numRows ;i++){

            vv[i].resize(i + 1);
            if(i == 0) {
                vv[i][0] = 1;
            }
            else if(i == 1){
                vv[i][0] = vv[i][1] = 1;
            }
            else{
                vv[i][0] =  vv[i][i] = 1;
                for(int j = 1 ;j < i ;j++){
                    vv[i][j] = vv[i - 1][j - 1] + vv[i - 1][j];
                }
            }
        }
        return vv;
    }
};

int main()
{
	vector<vector<int>> ret;
	ret = Solution.generate(1000);
	return 0; 
}

这段代码是很坑的，我们来分析一下：

首先杨辉三角中的核心是二维数组：vector<vector<int>>，这就注定其深拷贝的时间复杂度是O(n^2)。
然后返回值是传值返回？这在调用的时候很明显会创建临时变量，就会进行深拷贝！

这就导致使用的之后传入一个较大数1000,会进行两次深拷贝,每次深拷贝的代价都很大！

所以实践中不能写这样的代码，可以改成：

class Solution {
public:
     void generate(int numRows , vector<vector<int>>& vv) {

    }
};

这样可以避免临时变量的深拷贝。在C++11之前都是这样保证效率，现在当然最好还是使用右值引用+移动赋值来解决。直接进行资源的转移，避免不必要的深拷贝！编译器会自动将返回值识别成右值，进而进行移动辅助！

4.2 区分现代写法与移动语义

我们先来看赋值重载的现代写法：

		string& operator=(const string& s) {
			//现代写法	
			string tmp(s);
			swap(tmp);
			return *this;
		}

现代写法并没有减小成本，本质还是进行了深拷贝，传入的还是左值。没有性能的提升。再来看移动赋值

		string& operator=(string&& s) {
			swap(s);
			return *this;
		}

因为传入的是这里只进行了一次资源的交换，没有进行深拷贝，对性能有很大的提升！

4.3 实践中落实移动语义

前面我们说过：左值引用和右值引用都是左值。我们可以来验证一下：

using namespace std;
//函数重载
void func(string& s) 
{
	cout << "func(string& s)  --- 左值引用" << endl;
}
void func(string&& s)
{
	cout << "func(string& s)  --- 右值引用" << endl;
}

int main()
{
	string s("111");
	string& s1 = s;
	string&& s2 = string("111");
	func(s1);
	func(s2);
}

我们运行看看：

左值引用和右值引用都匹配到了左值引用的函数，证明了左值引用和右值引用都是左值。只有这样才能逻辑自洽！ 回看移动赋值,在里面to_string的返回值成为string&& s，里面进行了一步swap(s)。我们又知道右值本身是不能被改变的，如果右值引用作为了一个右值的别名是右值的话，那么还是不能进改变，那如何进行资源的转移呢？

只有右值引用本身是左值，才能实现移动构造和移动赋值中的资源转移！！！这实现了逻辑的自洽：右值引用的属性如果是右值，那么移动构造和移动赋值要进行转移资源的语法就是矛盾的，右值是不能进行改变的（可以理解为右值自带const属性），右值是有空间存储的，只是语法不允许取地址，但是是可以想办法取到的! 强转和再次引用（先转换为左值）都可以取到

	string&& s2 = string("111");
	string& s3 = s2;
	
	string& s4 = (string&)string("111");

理解上述内容，接下来我们就来看List中如何使用移动语义我们来看push_back() C++11中增添了右值引用版本的

我们来底层中来细细品味：

我们进行插入string是进行了一次构造和深拷贝，这是list内部push_back()中创建新节点中会创建一个string，然后进行拷贝。里面s1是左值，所以进行的是深拷贝！！！我们换一种方式

这样在节点创建中创建string进行了一次构造，然后就是移动构造了，因为这里是匿名对象，是一个将亡值，编译器自动匹配了移动构造！所以我们在平时写代码中使用匿名对象会使效率更高!!!

然后我们来自己实现一下：

首先我们看到我们初始化一个list会进行一次构造和深拷贝，这是因为头结点的缘故。而STL库中的是使用内存池（没有初始化），所以不会打印出来。我们赶紧来看push_back，如果只有一个左值引用的版本，无论左值还是右值都只能调用这个。我们加一个右值版本：

		void push_back(const T& x = T())
		{
			//找尾
			insert(end(), x);
		}
		void push_back(T&& x)
		{
			//找尾
			insert(end(), x);
		}

我们试试

哎嘿！？怎么插入右值和插入左值都是深拷贝啊？其实我们看一下push_back中调用的insert就明白了。push_back支持右值了，可是insert还没有右值的版本啊！我们还要补充insert的右值版本

		//右值版本
		void insert(iterator pos = begin(), T&& x = T())
		{
			Node* prev = pos._node->_prev;
			Node* next = pos._node;

			Node* node = new Node(x);

			node->_prev = prev;
			node->_next = next;
			prev->_next = node;
			next->_prev = node;

			_size++;

		}

再来看看：

哎？还是这样？为什么呢？我们在分析分析insert内部，其中的Node* node = new Node(x);这一步会调用node的构造函数，而node还没有支持右值引用的移动构造啊！所以我们还要为节点增添一个移动构造

		ListNode(T&& x ) :
			_next(nullptr),
			_prev(nullptr),
			_data(x)
		{}

这样移动构造内部会调用_data的构造，而这里_data是string我们已经写好了移动构造，那这次应该就可以了吧？

答案是 NO!!! 还记得上面说过：左值引用和右值引用都是左值!

第一层的push_back()是可以调用到右值引用的版本，第二次的insert()的第二个参数无论是左值引用还是右值引用，都只会调用左值版本？这要怎么解决呢？我们可以进行move！

		void push_back(T&& x)
		{
			insert(end(), move(x));
		}

		void insert(iterator pos = begin(), T&& x = T())
		{
			Node* prev = pos._node->_prev;
			Node* next = pos._node;

			Node* node = new Node(move(x));

			node->_prev = prev;
			node->_next = next;
			prev->_next = node;
			next->_prev = node;
			_size++;

		}
		//....
		ListNode(T&& x ) :
			_next(nullptr),
			_prev(nullptr),
			_data(move(x))
		{}

这样经过每一层的move保证了每次传递的都是右值：

我们就得到了想要的结果！！！

PS:对于内置类型或者Data来中，左值和右值是没有区别的，他们不会涉及到深拷贝的问题！使用涉及深拷贝的自定义类型才会涉及移动构造和移动赋值！

5 万能引用和完美转发

这里在介绍一个新语法：完美转发。它也可以上述做到move的效果，甚至更好！我们最好是使用完美转发！

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;
}

上面的PerfectForward(T&& t)被叫做万能引用（引用折叠），虽然看上去是一个右值引用，但是他可以随机应变：传左值就是左值引用，穿右值就是右值引用。我们验证一下

可以看到，不是对应匹配的。因为还是那个原因：左值引用和右值引用都是左值！！！而引用折叠虽然会帮助我们实例化出：

void PerfectForward(int&& t)
{
	Fun((int&&)t);
}
void PerfectForward(int& t)
{
	Fun((int&)t);
}
void PerfectForward(const int&& t)
{
	Fun((const int&&)t);
}
void PerfectForward(const int& t)
{
	Fun((const int&)t);
}

但是由于右值引用是左值，所以根本调用不到右值版本！！！所以这里如果使用move，行不行呢？我们试试：

move也无法解决这个问题，因为加上move之后，所以实例化的函数也都带有了func(move(t)),所有的都变成了右值，而我们想要的是该左值就是左值，该右值就是右值，所以就有了完美转发 — std::forward<T>(t)

template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{
	func(forward<T>(t));
}

完美解决：

完美转发就做到了：**完美转发在传参的过程中保留对象原生类型属性!**完美转发是在函数模版里面帮助辅助传参的！

实参传左值，就推导成左值引用
实参传右值，就推导成右值引用

完美转发本质上类似进行了一次强转！可以简单的这样理解：

template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{
	func((T&&)t);
}

上面的list也可以将move该成完美转发了！

Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！

下一篇文章见！！！

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原始发表：2024-07-18，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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