716-详解C++的右值引用

ゝ一世哀愁。 2022-09-17 03:04 101阅读 0赞

## C++左值引用与右值引用 ##

**我们先来看看左值引用：**

int main()
    {
        
    	int a = 0;
    	int &b = a;
    	b = 20;
    	return 0;
    }

反汇编代码：

int a = 10;
    	// 这条mov指令把10放到a的内存中
    0112436E  mov         dword ptr [a],0Ah  
    	int &b = a;
    	/* 下面的lea指令把a的地址放入eax寄存器
    	   mov指令把eax的内容放入b内存里面*/
    01124375  lea         eax,[a]  
    01124378  mov         dword ptr [b],eax  
    	b = 20;
    	/* 下面的mov指令把b内存的值放入eax寄存器（就是a的地址）
    	   mov指令再把20放入eax记录的地址的内存里面（就是把20赋值给a）*/
    0112437B  mov         eax,dword ptr [b]  
    0112437E  mov         dword ptr [eax],14h

从上面的指令可以看出，定义一个左值引用在汇编指令上和定义一个指针是没有任何区别的，定义一个引用变量int &b=a，是必须初始化的，因为指令上需要把右边a的地址放入一个b的内存里面（相当于定义了一个指针的内存），当给引用变量b赋值时，指令从b里面取出a的地址，并把20写入该地址，也就是a的内存中（相当于给指针解引用赋值），所以也说，使用引用变量时，汇编指令会做一个指针自动解引用的操作。  
**所以在汇编指令层面，引用和指针的操作没有任何区别！**

**思考下面的代码：**

int &b = 20;

**上面的代码是无法编译通过的**，因为定义引用变量，需要取右边20的地址进行存储，但是20是立即数字，没有在内存上存储，因此是无法取地址的，但是解决这个问题还是有办法的，如下：

const int &b = 20;

用常引用可以引用20这个常量数字，难道此时20就能取地址了吗？当然不是，因为现在在内存上产生了一个临时量保存了20，b现在引用的是这个临时量，相当于下面的操作：

/*
    这里tmp是在内存上产生的临时量
    const int tmp = 20; 
    const int &b = temp;
    */
    const int &b = 20;

**我们可以通过查看汇编指令进行确认，如下：**

const int &b = 20;
    010517C8  mov      dword ptr [ebp-14h],14h    《= ebp-14h就是内存栈上产生的临时量的内存地址
    010517CF  lea      eax,[ebp-14h]   《= 取临时量的内存地址放入寄存器eax
    010517D2  mov      dword ptr [b],eax  《= 再把eax寄存器的值（放的是临时量地址）存入b中

**我们可以得到这样一个结论**，上面的C++引用就是我们常用的左值引用，  
左值引用要求右边的值必须能够取地址，如果无法取地址，可以用常引用，  
如const int &b = 20;但是这样一来，我们只能通过b来读取数据，  
无法修改数据，因为b被const修饰成常量引用了，怎么办？

解决办法当然就是使用右值引用了，先看下面的这段代码分析：

int &&b = 20; //通过指令可以看到，原来const int &b=20和int &&b=20一模一样！！！ 这里mov指令相当于是产生了临时量，起始地址ebp-14h
    00CA18B8  mov         dword ptr [ebp-14h],14h  
    		 //把临时量的地址放入eax寄存器当中
    00CA18BF  lea         eax,[ebp-14h]  
             //再把eax的值（临时量的地址）放入b内存中（一个指针大小的内存）
    00CA18C2  mov         dword ptr [b],eax  
    	b = 40;
    00CA18C5  mov         eax,dword ptr [b]  
    00CA18C8  mov         dword ptr [eax],28h

看上面代码，定义一个右值引用变量是这样的int &&b=20，从汇编指令来看，依然要产生临时量，然后保存临时量的地址，也就是说const int &b=20和int &&b=20在底层指令上是一模一样的，没有任何区别，不同的是，通过右值引用变量，可以进行读操作，也可以进行写操作。

**所以，可以给一个这样的结论，有地址的用左值引用，没有地址的用右值引用；有变量名字的用左值引用，没有变量名字的（比如临时量没有名字）用右值引用。**

## 面向对象的效率问题 ##

#include<iostream>
    using namespace std;
    
    class Stack
    {
        
    public:
    	//size表示栈初始的内存大小
    	Stack(int size = 1000)
    		:msize(size)
    		,mtop(0)
    	{
        
    		cout << "Stack(int)" << endl;
    		mpstack = new int[size];
    	}
    	//析构函数
    	~Stack()
    	{
        
    		cout << "~Stack()" << endl;
    		delete[]mpstack;
    		mpstack = nullptr;
    	}
    	//拷贝构造函数
    	Stack(const Stack& src)
    		:msize(src.msize)
    		,mtop(src.mtop)
    	{
        
    		cout << "Stack(const Stack&)" << endl;
    		mpstack = new int[src.msize];
    		memcpy(mpstack, src.mpstack, sizeof(int) * mtop);
    	}
    	//赋值重载函数
    	Stack& operator=(const Stack& src)
    	{
        
    		cout << "operator=" << endl;
    		if (this == &src)
    			return *this;
    
    		delete[]mpstack;
    
    		msize = src.msize;
    		mtop = src.mtop;
    		mpstack = new int[src.msize];
    		memcpy(mpstack, src.mpstack, sizeof(int) * mtop);
    		return *this;
    	}
    	//返回栈的长度
    	int getSize()const {
         return msize; }
    private:
    	int* mpstack;
    	int mtop;
    	int msize;
    };
    Stack GetStack(Stack& stack)
    {
        
    	//这里构造新的局部对象tmp
    	Stack tmp(stack.getSize());
    	/*
    	因为tmp是函数的局部对象，不能出函数作用域，
    	所以这里tmp需要拷贝构造生成在main函数栈帧上
    	的临时对象，因此这里会调用拷贝构造函数，完成
    	后进行tmp局部对象的析构操作
    	*/
    	return tmp;
    }
    int main()
    {
        
    	Stack s;
    	/*
    	GetStack返回的临时对象给s赋值，该语句结束，临时对象
    	析构，所以此处调用operator=赋值重载函数，然后调用
    	析构函数
    	*/
    	s = GetStack(s);
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

Stack(int) =》 对应Stack s;
    Stack(int) =》 对应 Stack tmp(stack.getSize());
    Stack(const Stack&) =》 对应return tmp;
    ~Stack() =》 对应tmp的析构
    operator= =》 s = GetStack(s);
    ~Stack() =》 对应s = GetStack(s);语句完成，临时对象的析构
    ~Stack() =》 对应main函数中s局部对象的析构

上面的这段代码是我们编写C++类经常会遇到的一类问题，Stack对象由于成员变量是一个指针int \*mpstack，构造时指向了堆内存，因此这样的对象做默认的浅拷贝和赋值操作是有问题的，导致两个对象的成员指针指向同一个资源，析构时同一个资源被delete两次，代码运行崩溃，因此我们需要给Stack提供自定义的拷贝构造函数和operator=赋值重载函数，如上面的代码所示。

**上面的代码虽然解决了对象的浅拷贝问题，但是效率却非常的低下，主要在这两句代码上：**  
1、

return tmp;

这句代码中，tmp是函数的局部对象，因此不能出函数作用域，所以这里由tmp拷贝构造生成main函数栈帧上的临时对象。请仔细查看上面的拷贝构造函数的实现：

//栈的拷贝构造函数
    Stack(const Stack &src)
    	:msize(src.msize)
    	, mtop(src.mtop)
    {
        
    	cout << "Stack(const Stack&)" << endl;
    	mpstack = new int[src.msize];
    	memcpy(mpstack, src.mpstack, sizeof(int)*mtop);
    }

上面代码中，src引用的是tmp对象，this指针指向的是main函数栈帧上的临时对象，它的实现是根据tmp临时对象的内存大小给临时对象底层开辟内存，然后把tmp的数据再通过memcpy拷贝过来，关键是tmp马上就析构了！！！

**上面为什么不能把tmp持有的内存资源直接给临时对象呢？非得给临时对象重新开辟内存拷贝一份数据，然后tmp的资源又没有什么用处，而且马上就要析构，这样只能造成代码运行效率低下。**  
2、

s = GetStack(s);

这里先通过临时量对象给s赋值，然后再析构临时对象，看看上面的operator=赋值函数的代码实现，先释放s占用的内存，又根据临时量的大小给s重新分配内存，拷贝数据：

//赋值重载函数
    Stack& operator=(const Stack &src)
    {
        
    	cout << "operator=" << endl;
    	if (this == &src)
    		return *this;
    
    	delete[]mpstack;
    
    	msize = src.msize;
    	mtop = src.mtop;
    	mpstack = new int[src.msize];
    	memcpy(mpstack, src.mpstack, sizeof(int)*mtop);
    	return *this;
    }

同样的问题，临时量对象给s赋值完成后，马上就析构了，为什么不能把临时对象的资源直接给s呢？如果这样做的话，效率就很高了，省了内存的开辟和大量数据的拷贝时间了。

**上面提到的两个问题，在C++11中的解决方式是提供带右值引用参数的拷贝构造函数和operator=赋值重载函数。**

**右值引用的拷贝构造和operator=赋值函数**  
给上面的Stack类添加带右值引用参数的拷贝构造函数和operator=赋值重载函数，新添加代码如下：

//带右值引用参数的拷贝构造函数
    Stack(Stack &&src)
    	:msize(src.msize), mtop(src.mtop)
    {
        
    	cout << "Stack(Stack&&)" << endl;
    	/*此处没有重新开辟内存拷贝数据，把src的资源直接给当前对象，再把src置空*/
    	mpstack = src.mpstack;  
    	src.mpstack = nullptr;
    }
    
    //带右值引用参数的赋值重载函数
    Stack& operator=(Stack &&src)
    {
        
    	cout << "operator=(Stack&&)" << endl;
    	if(this == &src)
    	    return *this;
    	    
    	delete[]mpstack;
    
    	msize = src.msize;
    	mtop = src.mtop;
    	/*此处没有重新开辟内存拷贝数据，把src的资源直接给当前对象，再把src置空*/
    	mpstack = src.mpstack;
    	src.mpstack = nullptr;
    	return *this;
    }

**重新运行所有代码，打印如下：**

Stack(int)
    Stack(int)
    Stack(Stack&&) =》对应return tmp; 自动调用带右值引用参数版本的拷贝构造
    ~Stack()
    operator=(Stack&&) =》 s = GetStack(s); 自动调用带右值引用参数的赋值重载函数
    ~Stack()
    ~Stack()

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]  
从上面的打印可以清晰的看到，上面两处的拷贝构造函数和赋值重载函数的调用，自动使用了带右值引用参数的版本，效率大大提升，因为没有涉及任何的内存开辟和数据拷贝。因为临时对象马上就要析构了，直接把临时对象持有的资源拿过来就行了。

所以，临时量都会自动匹配右值引用版本的成员方法，旨在提高内存资源使用效率。带右值引用参数的拷贝构造和赋值重载函数，又叫移动构造函数和移动赋值函数，这里的移动指的是把临时量的资源移动给了当前对象，临时对象就不持有资源，为nullptr了，实际上没有进行任何的数据移动，没发生任何的内存开辟和数据拷贝。

## 一道笔试题 ##

很明显，vec.push\_back(a)调用的是左值引用参数的拷贝构造函数。vec.push\_back(A(20))实参传入的是临时量对象，调用的是右值引用参数的拷贝构造函数，效率较高。  
**上面程序打印如下：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]

## 函数接口返回容器 ##

#include <iostream>
    #include <vector>
    using namespace std;
    class A
    {
        
    public:
    	A(int data = 10) :ptr(new int(data)) {
        }
    	~A() {
         delete ptr; ptr = nullptr; }
    	A(const A& src)
    	{
        
    		cout << "A(const A&)" << endl;
    		ptr = new int(*src.ptr);
    	}
    	A(A&& src)
    	{
        
    		cout << "A(A&&)" << endl;
    		ptr = src.ptr;
    		src.ptr = nullptr;
    	}
    private:
    	int* ptr;
    };
    vector<A> getVector()
    {
        
    	vector<A> vec;
    	vec.reserve(3);
    	vec.push_back(A(20));
    	vec.push_back(A(30));
    	vec.push_back(A(40));
    	cout << "————————" << endl;
    	/*
    		这里返回vec时，会调用vector容器的带右值引用参数的拷贝构造函数，
    		类似vector(vector &&src)，直接把这里vec的资源移动给main函数
    		中的v，效率很高，也就是说函数在返回容器的过程中，没有做任何的内存和
    		数据开销
    	*/
    	return vec;
    }
    int main()
    {
        
    	vector<A> v = getVector();
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]  
可以看到，vector< A > v = getVector()没有做任何的容器数据拷贝，调用带右值引用参数的成员方法，大大提高了对象的使用效率。

## 引用折叠 ##

**我们先看看下面这段代码：**

int main()
    {
        
    	int a = 10;
    	int &b = a;
    	//int &&c = a; //错误，无法将左值a绑定到右值引用c
    	//int &&d = b; //错误，无法将左值b绑定到右值引用d
    	int &&e = 20;  //正确，20是一个右值(没地址没名字)，可以绑定到右值引用e上
    	//int &&f = e; //错误，无法将左值e绑定到右值引用f，因为e有名字，有地址，本身也是左值
    	int &g = e;  //正确，e本身有名字，有地址，是一个左值，可以被g引用
    	return 0;
    }

右值引用变量e本身是一个左值哦！

**引用折叠的概念主要用在函数模板类型参数的推导中，如下面的函数模板：**

template<typename T>
    void func(T&& val)
    {
        
    	cout << "01 val:" << val << endl;
    	T tmp = val;
    	tmp++;
    	cout << "02 val:" << val << " tmp:" << tmp << endl;
    }
    int main()
    {
        
    	int a = 10;
    	int& b = a;
    	int&& c = 10;
    
    	cout << "func(10):" << endl;
    	func(10);//10是右值，引用类型是int&&，T&&推导过程是int&&+&&折叠成int&&，所以T是int，下同
    	cout << "func(a):" << endl;
    	func(a);//a是左值，不可能用右值引用来引用，所以func推导T为int&，那么T&&->int&+&&折叠成int&
    	cout << "func(std::move(a)):" << endl;
    	func(std::move(a)); // std::move(a)是把a转成右值类型，右值引用类型是int&&，所以func推导T为int
    	cout << "func(b):" << endl;
    	func(b);//b是左值，不可能用右值引用来引用，所以func推导T为int&，那么T&&->int&+&&折叠成int&
    	cout << "func(c):" << endl;
    	func(c);//c是左值，不可能用右值引用来引用，所以func推导T为int&，那么T&&->int&+&&折叠成int&
    
    	return 0;
    }

**代码运行打印如下：**

func(10): //T tmp = val; T是int
    01 val:10
    02 val:10 tmp:11
    func(a): //T tmp = val; T是int&
    01 val:10
    02 val:11 tmp:11
    func(std::move(a)): //T tmp = val; T是int
    01 val:11
    02 val:11 tmp:12
    func(b): //T tmp = val; T是int&
    01 val:11
    02 val:12 tmp:12
    func©: //T tmp = val; T是int&
    01 val:10
    02 val:11 tmp:11

从上面的代码可以看出，func这个函数模板的T类型有时候推导出来是int类型，有时候是int&类型。再说引用折叠，就是int && + &&折叠成int&&，除此之外，都折叠成int&，如int& + &&折叠成int&，知道这个就可以，具体的应用再看下面对move和forward函数的讲解。

## std::move移动语义 ##

看如下代码示例：

#include<iostream>
    #include<vector>
    using namespace std;
    class A
    {
        
    public:
    	A(int data = 10) :ptr(new int(data)) {
        }
    	~A() {
         delete ptr; ptr = nullptr; }
    	A(const A& src)
    	{
        
    		cout << "A(const A&)" << endl;
    		ptr = new int(*src.ptr);
    	}
    	A(A&& src)
    	{
        
    		cout << "A(A&&)" << endl;
    		ptr = src.ptr;
    		src.ptr = nullptr;
    	}
    private:
    	int* ptr;
    };
    int main()
    {
        
    	vector<A> vec;
    	vec.reserve(10);
    	for (int i = 0; i < 10; ++i)
    	{
        
    		A a(i);
    		/*
    		这里a是一个左值，因此vec.push_back(a)会调用左值的
    		拷贝构造函数，用a拷贝构造vector底层数组中的对象
    		*/
    		vec.push_back(a);
    	}
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]  
调用了10次左值引用的拷贝构造函数，看上面的代码，A a(i)在for循环中其实算是局部对象，在vec.push\_back(a)完成后，a对象也就该析构了，所以在vec.push\_back(a)时，应该把对象a的资源直接移动给vector容器底层的对象，也就是调用右值引用参数的拷贝构造函数，怎么做到呢？这时候就用到了带移动语义的std::move函数，main函数代码修改如下:

int main()
    {
        
    	vector<A> vec;
    	vec.reserve(10);
    	for (int i = 0; i < 10; ++i)
    	{
        
    		A a(i);
    		/*
    		由于a马上就会销毁，因此这里应该用右值引用参数
    		的拷贝构造函数，效率会更高
    		*/
    		vec.push_back(std::move(a));
    	}
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]  
此时在vec.push\_back(std::move(a))这段代码中会调用到a对象的右值引用参数的拷贝构造函数。可以看move函数的源码，其实move就是返回传入的实参的右值引用类型，做了一个类型强转，move代码：

template<class _Ty>
    	_NODISCARD constexpr remove_reference_t<_Ty>&&
    		move(_Ty&& _Arg) noexcept   
    	{
        //forward _Arg as movable
    	return (static_cast<remove_reference_t<_Ty>&&>(_Arg));
    	}

## std::forward完美转发 ##

先给一个代码示例，实现一个简单的vector，来描述forward的应用场景，示例代码如下：

#include<iostream>
    using namespace std;
    //容器里面元素的类型
    class A
    {
        
    public:
    	A() {
        }
    	//带左值引用参数的赋值函数
    	A& operator=(const A& src)
    	{
        
    		cout << "operator=" << endl;
    		return *this;
    	}
    	// 带右值引用参数的赋值函数
    	A& operator=(A&& src)
    	{
        
    		cout << "operator=(A&&)" << endl;
    		return *this;
    	}
    };
    //容器的类型
    template<typename _Ty>
    class Vector
    {
        
    public:
    	//引用左值的push_back函数
    	void push_back(const _Ty& val)
    	{
        
    		addBack(val);
    	}
    	//引用右值的push_back函数
    	void push_back(_Ty&& val)
    	{
        
    		//这里传递val时，要用move转换成右值引用类型，
    		//因为val本身是左值，有名字有地址，见前面引用折叠部分的说明
    		addBack(std::move(val));
    	}
    private:
    	enum {
         VEC_SIZE = 10 };
    	_Ty mvec[VEC_SIZE];
    	int mcur;
    
    	template<typename _Ty>
    	void addBack(_Ty&& val)
    	{
        
    		/*
    		这里val本身永远是左值，所以不可能调用
    		容器内部对象的右值引用参数的operator=赋值函数
    		*/
    		mvec[mcur++] = val;
    	}
    };
    
    int main()
    {
        
    	Vector<A> vec;
    	A a;
    	vec.push_back(a);//调用A的左值引用的赋值函数
    	vec.push_back(A());//理应调用A的右值引用参数的赋值函数，却调用了左值引用的赋值函数
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_18_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
vec.push\_back(A())这句代码传入的是临时对象，最终却没有调用A对象的右值引用参数的赋值函数operator=，主要原因就是在Vector中addBack函数里面，val永远被当作左值了，无法保持它接收的实参的引用类型，是左引用还是右引用，此时std::forward就要起作用了，它称作“类型完美转发”，也就是说可以保持实参数据的左引用或者右引用类型，上面的addBack函数修改如下：

template<typename _Ty>
    void addBack(_Ty &&val)
    {
        
    	/*
    	这里使用std::forward，可以获取val引用的实参的引用类型，
    	是左引用，还是右引用，原理就是根据“引用折叠规则”
    	int&+&&->int&     int&&+&&->int&&
    	*/
    	mvec[mcur++] = std::forward<_Ty>(val);
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 6]  
**完美**！vec.push\_back(A())这句代码，最终调用了A对象的右值引用参数的赋值函数operator=，符合预期。因为在addBack中使用了std::forward类型完美转发机制，**它的源码实现如下：**

template<class _Ty>
    	_NODISCARD constexpr _Ty&& forward(remove_reference_t<_Ty>& _Arg) noexcept
    	{
        	// forward an lvalue as either an lvalue or an rvalue
    	return (static_cast<_Ty&&>(_Arg));
    	}
    
    template<class _Ty>
    	_NODISCARD constexpr _Ty&& forward(remove_reference_t<_Ty>&& _Arg) noexcept
    	{
        	// forward an rvalue as an rvalue
    	static_assert(!is_lvalue_reference_v<_Ty>, "bad forward call");
    	return (static_cast<_Ty&&>(_Arg));
    	}

**上面是C++库里面提供的两个forward重载函数**，分别接收左值和右值引用类型，进行一个类型强转，(static\_cast<\_Ty&&>(\_Arg))， 如果实参类型是int& + && -> int&就保持了实参的左值引用类型，如果实参类型是int&& + && -> int&&就保持了实参的右值引用类型。

**std::move是获取实参的右值引用类型；std::forward是在代码实现过程中，保持实参的原有的引用类型（左引用或者右引用类型）**

[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220828/9167d4d50c3f4c2cb00d9624396776f4.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]: /images/20220828/84e27c11a17643eb8e9d4af775824ba9.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]: /images/20220828/db7c1697dcf54b9da87646fec6929961.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBALeael-azveWuhw_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]: /images/20220828/0c6d9d90b27048d7a0b71d7a664a4f22.png
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