[c++11]我理解的右值引用、移動語義和完美轉發
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c++中引入了
右值引用和
移動語義，可以避免無謂的複製，提高程式效能。有點難理解，於是花時間整理一下自己的理解。
左值、右值
C++中所有的值都必然屬於左值、右值二者之一。左值是指表示式結束後依然存在的
持久化物件，右值是指表示式結束時就不再存在的
臨時物件。所有的具名變數或者物件都是左值，而右值不具名。很難得到左值和右值的真正定義，但是有一個可以區分左值和右值的便捷方法：
看能不能對錶達式取地址，如果能，則為左值，否則為右值。
看見書上又將右值分為將亡值和純右值。純右值就是
c++98標準中右值的概念，如非引用返回的函式返回的臨時變數值；一些運算表示式，如1+2產生的臨時變數；不跟物件關聯的字面量值，如2，’c’，true，”hello”；這些值都不能夠被取地址。
而將亡值則是
c++11新增的和右值引用相關的表示式，這樣的表示式通常時將要移動的物件、
T&&函式返回值、
std::move()函式的返回值等，
不懂將亡值和純右值的區別其實沒關係，統一看作右值即可，不影響使用。
示例：
int i=0;// i是左值， 0是右值
class A {
public:
int a;
};
A getTemp()
{
return A();
}
A a = getTemp(); // a是左值 getTemp()的返回值是右值（臨時變數）
左值引用、右值引用
c++98中的引用很常見了，就是給變數取了個別名，在
c++11中，因為增加了
右值引用(rvalue reference)的概念，所以
c++98中的引用都稱為了
左值引用(lvalue reference)。
int a = 10;
int& refA = a; // refA是a的別名， 修改refA就是修改a, a是左值，左移是左值引用
int& b = 1; //編譯錯誤! 1是右值，不能夠使用左值引用
c++11中的右值引用使用的符號是
&&，如
int&& a = 1; //實質上就是將不具名(匿名)變數取了個別名
int b = 1;
int && c = b; //編譯錯誤！ 不能將一個左值複製給一個右值引用
class A {
public:
int a;
};
A getTemp()
{
return A();
}
A && a = getTemp(); //getTemp()的返回值是右值（臨時變數）
getTemp()返回的右值本來在表示式語句結束後，其生命也就該終結了（因為是臨時變數），而通過右值引用，該右值又重獲新生，其生命期將與右值引用型別變數
a的生命期一樣，只要
a還活著，該右值臨時變數將會一直存活下去。實際上就是給那個臨時變數取了個名字。
注意：這裡
a的
型別是右值引用型別(
int &&)，但是如果從左值和右值的角度區分它，它實際上是個
左值。因為可以對它取地址，而且它還有名字，是一個已經命名的右值。
所以，左值引用只能繫結左值，右值引用只能繫結右值，如果繫結的不對，編譯就會失敗。但是， 常量左值引用卻是個奇葩，它可以算是一個“萬能”的引用型別，它可以繫結非常量左值、常量左值、右值，而且在繫結右值的時候，常量左值引用還可以像右值引用一樣將右值的生命期延長，缺點是，只能讀不能改。
const int & a = 1; //常量左值引用繫結 右值， 不會報錯
class A {
public:
int a;
};
A getTemp()
{
return A();
}
const A & a = getTemp(); //不會報錯 而 A& a 會報錯
事實上，很多情況下我們用來常量左值引用的這個功能卻沒有意識到，如下面的例子：
#include <iostream>
using namespace std;
class Copyable {
public:
Copyable(){}
Copyable(const Copyable &o) {
cout << "Copied" << endl;
}
};
Copyable ReturnRvalue() {
return Copyable(); //返回一個臨時物件
}
void AcceptVal(Copyable a) {
}
void AcceptRef(const Copyable& a) {
}
int main() {
cout << "pass by value: " << endl;
AcceptVal(ReturnRvalue()); // 應該呼叫兩次拷貝建構函式
cout << "pass by reference: " << endl;
AcceptRef(ReturnRvalue()); //應該只呼叫一次拷貝建構函式
}
當我敲完上面的例子並執行後，發現結果和我想象的完全不一樣！
期望中
AcceptVal(ReturnRvalue())需要呼叫兩次拷貝建構函式，一次在
ReturnRvalue()函式中，構造好了
Copyable物件，返回的時候會呼叫拷貝建構函式生成一個臨時物件，在呼叫
AcceptVal()時，又會將這個物件拷貝給函式的區域性變數
a，一共呼叫了兩次拷貝建構函式。而
AcceptRef()的不同在於形參是常量左值引用，它能夠接收一個右值，而且不需要拷貝。
而實際的結果是，不管哪種方式，一次拷貝建構函式都沒有呼叫！
這是由於編譯器預設開啟了返回值優化(RVO/NRVO, RVO, Return Value Optimization 返回值優化，或者NRVO， Named Return Value Optimization)。編譯器很聰明，發現在
ReturnRvalue內部生成了一個物件，返回之後還需要生成一個臨時物件呼叫拷貝建構函式，很麻煩，所以直接優化成了1個物件物件，避免拷貝，而這個臨時變數又被賦值給了函式的形參，還是沒必要，所以最後這三個變數都用一個變數替代了，不需要呼叫拷貝建構函式。
雖然各大廠家的編譯器都已經都有了這個優化，但是這並不是
c++標準規定的，而且不是所有的返回值都能夠被優化，而這篇文章的主要講的
右值引用，
移動語義可以解決編譯器無法解決的問題。
為了更好的觀察結果，可以在編譯的時候加上
-fno-elide-constructors選項(關閉返回值優化)。
// g++ test.cpp -o test -fno-elide-constructors
pass by value:
Copied
Copied //可以看到確實呼叫了兩次拷貝建構函式
pass by reference:
Copied
上面這個例子本意是想說明常量左值引用能夠繫結一個右值，可以減少一次拷貝（使用非常量的左值引用會編譯失敗），但是順便講到了編譯器的返回值優化。。編譯器還是幹了很多事情的，很有用，但不能過於依賴，因為你也不確定它什麼時候優化了什麼時候沒優化。
總結一下，其中
T是一個具體型別：
- 左值引用， 使用
T&, 只能繫結 左值 - 右值引用， 使用
T&&， 只能繫結 右值 - 常量左值， 使用
const T&, 既可以繫結 左值又可以繫結 右值 - 已命名的 右值引用，編譯器會認為是個 左值
- 編譯器有返回值優化，但不要過於依賴
移動構造和移動賦值
回顧一下如何用c++實現一個字串類
MyString，
MyString內部管理一個C語言的
char *陣列，這個時候一般都需要實現拷貝建構函式和拷貝賦值函式，因為預設的拷貝是淺拷貝，而指標這種資源不能共享，不然一個析構了，另一個也就完蛋了。
具體程式碼如下：
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <vector>
using namespace std;
class MyString
{
public:
static size_t CCtor; //統計呼叫拷貝建構函式的次數
// static size_t CCtor; //統計呼叫拷貝建構函式的次數
public:
// 建構函式
MyString(const char* cstr=0){
if (cstr) {
m_data = new char[strlen(cstr)+1];
strcpy(m_data, cstr);
}
else {
m_data = new char[1];
*m_data = '\0';
}
}
// 拷貝建構函式
MyString(const MyString& str) {
CCtor ++;
m_data = new char[ strlen(str.m_data) + 1 ];
strcpy(m_data, str.m_data);
}
// 拷貝賦值函式 =號過載
MyString& operator=(const MyString& str){
if (this == &str) // 避免自我賦值!!
return *this;
delete[] m_data;
m_data = new char[ strlen(str.m_data) + 1 ];
strcpy(m_data, str.m_data);
return *this;
}
~MyString() {
delete[] m_data;
}
char* get_c_str() const { return m_data; }
private:
char* m_data;
};
size_t MyString::CCtor = 0;
int main()
{
vector<MyString> vecStr;
vecStr.reserve(1000); //先分配好1000個空間，不這麼做，呼叫的次數可能遠大於1000
for(int i=0;i<1000;i++){
vecStr.push_back(MyString("hello"));
}
cout << MyString::CCtor << endl;
}
程式碼看起來挺不錯，卻發現執行了
1000次拷貝建構函式，如果
MyString("hello")構造出來的字串本來就很長，構造一遍就很耗時了，最後卻還要拷貝一遍，而
MyString("hello")只是臨時物件，拷貝完就沒什麼用了，這就造成了沒有意義的資源申請和釋放操作，如果能夠直接使用臨時物件已經申請的資源，既能節省資源，又能節省資源申請和釋放的時間。而
C++11新增加的
移動語義就能夠做到這一點。
要實現移動語義就必須增加兩個函式：移動建構函式和移動賦值建構函式。
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <vector>
using namespace std;
class MyString
{
public:
static size_t CCtor; //統計呼叫拷貝建構函式的次數
static size_t MCtor; //統計呼叫移動建構函式的次數
static size_t CAsgn; //統計呼叫拷貝賦值函式的次數
static size_t MAsgn; //統計呼叫移動賦值函式的次數
public:
// 建構函式
MyString(const char* cstr=0){
if (cstr) {
m_data = new char[strlen(cstr)+1];
strcpy(m_data, cstr);
}
else {
m_data = new char[1];
*m_data = '\0';
}
}
// 拷貝建構函式
MyString(const MyString& str) {
CCtor ++;
m_data = new char[ strlen(str.m_data) + 1 ];
strcpy(m_data, str.m_data);
}
// 移動建構函式
MyString(MyString&& str) noexcept
:m_data(str.m_data) {
MCtor ++;
str.m_data = nullptr; //不再指向之前的資源了
}
// 拷貝賦值函式 =號過載
MyString& operator=(const MyString& str){
CAsgn ++;
if (this == &str) // 避免自我賦值!!
return *this;
delete[] m_data;
m_data = new char[ strlen(str.m_data) + 1 ];
strcpy(m_data, str.m_data);
return *this;
}
// 移動賦值函式 =號過載
MyString& operator=(MyString&& str) noexcept{
MAsgn ++;
if (this == &str) // 避免自我賦值!!
return *this;
delete[] m_data;
m_data = str.m_data;
str.m_data = nullptr; //不再指向之前的資源了
return *this;
}
~MyString() {
delete[] m_data;
}
char* get_c_str() const { return m_data; }
private:
char* m_data;
};
size_t MyString::CCtor = 0;
size_t MyString::MCtor = 0;
size_t MyString::CAsgn = 0;
size_t MyString::MAsgn = 0;
int main()
{
vector<MyString> vecStr;
vecStr.reserve(1000); //先分配好1000個空間
for(int i=0;i<1000;i++){
vecStr.push_back(MyString("hello"));
}
cout << "CCtor = " << MyString::CCtor << endl;
cout << "MCtor = " << MyString::MCtor << endl;
cout << "CAsgn = " << MyString::CAsgn << endl;
cout << "MAsgn = " << MyString::MAsgn << endl;
}
/* 結果
CCtor = 0
MCtor = 1000
CAsgn = 0
MAsgn = 0
*/
可以看到，移動建構函式與拷貝建構函式的區別是，拷貝構造的引數是
const MyString& str，是
常量左值引用，而移動構造的引數是
MyString&& str，是
右值引用，而
MyString("hello")是個臨時物件，是個右值，優先進入
移動建構函式而不是拷貝建構函式。而移動建構函式與拷貝構造不同，它並不是重新分配一塊新的空間，將要拷貝的物件複製過來，而是”偷”了過來，將自己的指標指向別人的資源，然後將別人的指標修改為
nullptr，這一步很重要，如果不將別人的指標修改為空，那麼臨時物件析構的時候就會釋放掉這個資源，”偷”也白偷了。下面這張圖可以解釋copy和move的區別。
不用奇怪為什麼可以搶別人的資源，臨時物件的資源不好好利用也是浪費，因為生命週期本來就是很短，在你執行完這個表示式之後，它就毀滅了，充分利用資源，才能很高效。
對於一個左值，肯定是呼叫拷貝建構函式了，但是有些左值是區域性變數，生命週期也很短，能不能也移動而不是拷貝呢？
C++11為了解決這個問題，提供了
std::move()方法來將左值轉換為右值，從而方便應用移動語義。我覺得它其實就是告訴編譯器，雖然我是一個左值，但是不要對我用拷貝建構函式，而是用移動建構函式吧。。。
int main()
{
vector<MyString> vecStr;
vecStr.reserve(1000); //先分配好1000個空間
for(int i=0;i<1000;i++){
MyString tmp("hello");
vecStr.push_back(tmp); //呼叫的是拷貝建構函式
}
cout << "CCtor = " << MyString::CCtor << endl;
cout << "MCtor = " << MyString::MCtor << endl;
cout << "CAsgn = " << MyString::CAsgn << endl;
cout << "MAsgn = " << MyString::MAsgn << endl;
cout << endl;
MyString::CCtor = 0;
MyString::MCtor = 0;
MyString::CAsgn = 0;
MyString::MAsgn = 0;
vector<MyString> vecStr2;
vecStr2.reserve(1000); //先分配好1000個空間
for(int i=0;i<1000;i++){
MyString tmp("hello");
vecStr2.push_back(std::move(tmp)); //呼叫的是移動建構函式
}
cout << "CCtor = " << MyString::CCtor << endl;
cout << "MCtor = " << MyString::MCtor << endl;
cout << "CAsgn = " << MyString::CAsgn << endl;
cout << "MAsgn = " << MyString::MAsgn << endl;
}
/* 執行結果
CCtor = 1000
MCtor = 0
CAsgn = 0
MAsgn = 0
CCtor = 0
MCtor = 1000
CAsgn = 0
MAsgn = 0
*/
下面再舉幾個例子：
MyString str1("hello"); //呼叫建構函式
MyString str2("world"); //呼叫建構函式
MyString str3(str1); //呼叫拷貝建構函式
MyString str4(std::move(str1)); // 呼叫移動建構函式、
// cout << str1.get_c_str() << endl; // 此時str1的內部指標已經失效了！不要使用
//注意：雖然str1中的m_dat已經稱為了空，但是str1這個物件還活著，知道出了它的作用域才會析構！而不是move完了立刻析構
MyString str5;
str5 = str2; //呼叫拷貝賦值函式
MyString str6;
str6 = std::move(str2); // str2的內容也失效了，不要再使用
需要注意一下幾點：
-
str6 = std::move(str2)，雖然將str2的資源給了str6，但是str2並沒有立刻析構，只有在str2離開了自己的作用域的時候才會析構，所以，如果繼續使用str2的m_data變數，可能會發生意想不到的錯誤。 - 如果我們沒有提供移動建構函式，只提供了拷貝建構函式，
std::move()會失效但是不會發生錯誤，因為編譯器找不到移動建構函式就去尋找拷貝建構函式，也這是拷貝建構函式的引數是const T&常量左值引用的原因！ -
c++11中的所有容器都實現了move語義，move只是轉移了資源的控制權，本質上是將左值強制轉化為右值使用，以用於移動拷貝或賦值，避免對 含有資源的物件發生無謂的拷貝。move對於擁有如記憶體、檔案控制程式碼等資源的成員的物件有效，如果是一些基本型別，如int和char[10]陣列等，如果使用move，仍會發生拷貝（因為沒有對應的移動建構函式），所以說move對含有資源的物件說更有意義。
universal references(通用引用)
當右值引用和模板結合的時候，就複雜了。
T&&並不一定表示右值引用，它可能是個左值引用又可能是個右值引用。例如：
template<typename T>
void f( T&& param){
}
f(10); //10是右值
int x = 10; //
f(x); //x是左值
如果上面的函式模板表示的是右值引用的話，肯定是不能傳遞左值的，但是事實卻是可以。這裡的
&&是一個未定義的引用型別，稱為
universal references，它必須被初始化，它是左值引用還是右值引用卻決於它的初始化，如果它被一個左值初始化，它就是一個左值引用；如果被一個右值初始化，它就是一個右值引用。
注意：只有當
發生自動型別推斷時（如函式模板的型別自動推導，或auto關鍵字），
&&才是一個
universal references。
例如：
template<typename T>
void f( T&& param); //這裡T的型別需要推導，所以&&是一個 universal references
template<typename T>
class Test {
Test(Test&& rhs); //Test是一個特定的型別，不需要型別推導，所以&&表示右值引用
};
void f(Test&& param); //右值引用
//複雜一點
template<typename T>
void f(std::vector<T>&& param); //在呼叫這個函式之前，這個vector<T>中的推斷型別
//已經確定了，所以呼叫f函式的時候沒有型別推斷了，所以是 右值引用
template<typename T>
void f(const T&& param); //右值引用
// universal references僅僅發生在 T&& 下面，任何一點附加條件都會使之失效
所以最終還是要看
T被推導成什麼型別，如果
T被推導成了
string，那麼
T&&就是
string&&，是個右值引用，如果
T被推導為
string&，就會發生類似
string& &&的情況，對於這種情況，
c++11增加了引用摺疊的規則，總結如下：
- 所有的右值引用疊加到右值引用上仍然使一個右值引用。
- 所有的其他引用型別之間的疊加都將變成左值引用。
如上面的
T& &&其實就被摺疊成了個
string &，是一個左值引用。
#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <string>
using namespace std;
template<typename T>
void f(T&& param){
if (std::is_same<string, T>::value)
std::cout << "string" << std::endl;
else if (std::is_same<string&, T>::value)
std::cout << "string&" << std::endl;
else if (std::is_same<string&&, T>::value)
std::cout << "string&&" << std::endl;
else if (std::is_same<int, T>::value)
std::cout << "int" << std::endl;
else if (std::is_same<int&, T>::value)
std::cout << "int&" << std::endl;
else if (std::is_same<int&&, T>::value)
std::cout << "int&&" << std::endl;
else
std::cout << "unkown" << std::endl;
}
int main()
{
int x = 1;
f(1); // 引數是右值 T推導成了int, 所以是int&& param, 右值引用
f(x); // 引數是左值 T推導成了int&, 所以是int&&& param, 摺疊成 int&,左值引用
int && a = 2;
f(a); //雖然a是右值引用，但它還是一個左值， T推導成了int&
string str = "hello";
f(str); //引數是左值 T推導成了string&
f(string("hello")); //引數是右值， T推導成了string
f(std::move(str));//引數是右值， T推導成了string
}
所以，歸納一下， 傳遞左值進去，就是左值引用，傳遞右值進去，就是右值引用。如它的名字，這種型別確實很”通用”，下面要講的完美轉發，就利用了這個特性。
完美轉發
所謂轉發，就是通過一個函式將引數繼續轉交給另一個函式進行處理，原引數可能是右值，可能是左值，如果還能繼續保持引數的原有特徵，那麼它就是完美的。
void process(int& i){
cout << "process(int&):" << i << endl;
}
void process(int&& i){
cout << "process(int&&):" << i << endl;
}
void myforward(int&& i){
cout << "myforward(int&&):" << i << endl;
process(i);
}
int main()
{
int a = 0;
process(a); //a被視為左值 process(int&):0
process(1); //1被視為右值 process(int&&):1
process(move(a)); //強制將a由左值改為右值 process(int&&):0
myforward(2); //右值經過forward函式轉交給process函式，卻稱為了一個左值，
//原因是該右值有了名字 所以是 process(int&):2
myforward(move(a)); // 同上，在轉發的時候右值變成了左值 process(int&):0
// forward(a) // 錯誤用法，右值引用不接受左值
}
上面的例子就是不完美轉發，而c++中提供了一個
std::forward()模板函式解決這個問題。將上面的
myforward()函式簡單改寫一下：
void myforward(int&& i){
cout << "myforward(int&&):" << i << endl;
process(std::forward<int>(i));
}
myforward(2); // process(int&&):2
上面修改過後還是不完美轉發，
myforward()函式能夠將右值轉發過去，但是並不能夠轉發左值，解決辦法就是藉助
universal references通用引用型別和
std::forward()模板函式共同實現完美轉發。例子如下：
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <vector>
using namespace std;
void RunCode(int &&m) {
cout << "rvalue ref" << endl;
}
void RunCode(int &m) {
cout << "lvalue ref" << endl;
}
void RunCode(const int &&m) {
cout << "const rvalue ref" << endl;
}
void RunCode(const int &m) {
cout << "const lvalue ref" << endl;
}
// 這裡利用了universal references，如果寫T&,就不支援傳入右值，而寫T&&，既能支援左值，又能支援右值
template<typename T>
void perfectForward(T && t) {
RunCode(forward<T> (t));
}
template<typename T>
void notPerfectForward(T && t) {
RunCode(t);
}
int main()
{
int a = 0;
int b = 0;
const int c = 0;
const int d = 0;
notPerfectForward(a); // lvalue ref
notPerfectForward(move(b)); // lvalue ref
notPerfectForward(c); // const lvalue ref
notPerfectForward(move(d)); // const lvalue ref
cout << endl;
perfectForward(a); // lvalue ref
perfectForward(move(b)); // rvalue ref
perfectForward(c); // const lvalue ref
perfectForward(move(d)); // const rvalue ref
}
上面的程式碼測試結果表明，在
universal references和
std::forward的合作下，能夠完美的轉發這4種型別。
emplace_back減少記憶體拷貝和移動
我們之前使用
vector一般都喜歡用
push_back()，由上文可知容易發生無謂的拷貝，解決辦法是為自己的類增加移動拷貝和賦值函式，但其實還有更簡單的辦法！就是使用
emplace_back()替換
push_back()，如下面的例子：
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <vector>
using namespace std;
class A {
public:
A(int i){
// cout << "A()" << endl;
str = to_string(i);
}
~A(){}
A(const A& other): str(other.str){
cout << "A&" << endl;
}
public:
string str;
};
int main()
{
vector<A> vec;
vec.reserve(10);
for(int i=0;i<10;i++){
vec.push_back(A(i)); //呼叫了10次拷貝建構函式
// vec.emplace_back(i); //一次拷貝建構函式都沒有呼叫過
}
for(int i=0;i<10;i++)
cout << vec[i].str << endl;
}
可以看到效果是明顯的，雖然沒有測試時間，但是確實可以減少拷貝。
emplace_back()可以直接通過建構函式的引數構造物件，但前提是
要有對應的建構函式。
對於
map和
set，可以使用
emplace()。基本上
emplace_back()對應
push_bakc(),
emplce()對應
insert()。
移動語義對
swap()函式的影響也很大，之前實現swap可能需要三次記憶體拷貝，而有了移動語義後，就可以實現高效能的交換函式了。
template <typename T>
void swap(T& a, T& b)
{
T tmp(std::move(a));
a = std::move(b);
b = std::move(tmp);
}
如果T是可移動的，那麼整個操作會很高效，如果不可移動，那麼就和普通的交換函式是一樣的，不會發生什麼錯誤，很安全。
總結
- 由兩種值型別，左值和右值。
- 有三種引用型別，左值引用、右值引用和通用引用。左值引用只能繫結左值，右值引用只能繫結右值，通用引用由初始化時繫結的值的型別確定。
- 左值和右值是獨立於他們的型別的，右值引用可能是左值可能是右值，如果這個右值引用已經被命名了，他就是左值。
- 引用摺疊規則：所有的右值引用疊加到右值引用上仍然是一個右值引用，其他引用摺疊都為左值引用。當
T&&為模板引數時，輸入左值，它將變成左值引用，輸入右值則變成具名的右值應用。 - 移動語義可以減少無謂的記憶體拷貝，要想實現移動語義，需要實現移動建構函式和移動賦值函式。
-
std::move()將一個左值轉換成一個右值，強制使用移動拷貝和賦值函式，這個函式本身並沒有對這個左值什麼特殊操作。 -
std::forward()和universal references通用引用共同實現完美轉發。 - 用
empalce_back()替換push_back()增加效能。
TODO
- 對模板型別自動推導還不太熟悉，繼續學習 Effective Modern C++。
-
std::move()和std::forward()好像實現的並不複雜，有機會弄明白實現原理。
來自 “ ITPUB部落格 ” ，連結：http://blog.itpub.net/7728585/viewspace-2658353/，如需轉載，請註明出處，否則將追究法律責任。
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