c++11右值引用

谁践踏了优雅 2022-06-14 11:10 239阅读 0赞

c++11中引入了右值引用和移动语义，可以避免无谓的复制，提高了程序的性能。  
我们平常所说的引用通常是指左值引用，用&表示。而右值引用，用&&表示。  
要介绍右值引用的作用以及如何使用之前，我们必须要搞明白什么是左值，什么是右值。

### **左值与右值** ###

> **左值：**指表达式结束后依然存在的持久对象。  
> **右值：**指表达式结束时就不再存在的临时对象。

**一个区分左值与右值的便捷方法：**

> 看看能不能对表达式取地址，如果能，则为左值，否则为右值。  
> 所有的具名变量或对象都是左值，而右值不具名。

举例：

int a = 10;
     int b = 20;
     int *pFlag = &a;
     vector<int> vctTemp;
     vctTemp.push_back(100);
     string str1 = string("hello");
     string str2 = "world";
     const int &m = 1;

请问，a，b, a+b, a++, ++a, pFlag, \*pFlag, vctTemp\[0\], 100, string(“hello”), str1, str1+str2, m分别是左值还是右值？

> a和b都是持久对象（可以对其取地址），是左值；  
> a+b是临时对象（不可以对其取地址），是右值；  
> **a++**是先取出持久对象a的一份拷贝，再使持久对象a的值加1，最后返回那份拷贝，而那份拷贝是临时对象（不可以对其取地址），故其是**右值**；  
> **++a**则是使持久对象a的值加1，并返回那个持久对象a本身（可以对其取地址），故其是**左值**；  
> pFlag和\*pFlag都是持久对象（可以对其取地址），是左值；  
> vctTemp\[0\]调用了重载的\[\]操作符，而\[\]操作符返回的是一个int &，为持久对象（可以对其取地址），是左值；  
> 100和string(“hello”)是临时对象（不可以对其取地址），是右值；  
> str1是持久对象（可以对其取地址），是左值；  
> str1+str2是调用了+操作符，而+操作符返回的是一个string（不可以对其取地址），故其为右值；  
> m是一个常量引用，引用到一个右值，但引用本身是一个持久对象（可以对其取地址），为左值

### **右值引用** ###

右值引用就是一个对右值进行引用的类型。  
无论声明左值引用还是右值引用都必须立即进行初始化，因为引用类型本身并不拥有所绑定对象的内存，只是该对象的一个别名。

举例：

int i=42;
    int &r=i;   //正确:r引用i
    int &&rr=i;   //错误：不能将一个右值引用绑定到一个左值上
    int &r2=i*42;    //错误：i*42是一个右值
    const int &r3=i*42;     //正确：我们可以将一个const的左值引用绑定到一个右值上
    int &&rr2=i*42;         //正确：将rr2绑定到乘法结果上

说明:

>  *  返回左值引用的函数，连同赋值，下标，解引用和前置递增/递减运算符，都是返回左值的表达式的例子。我们可以将一个左值引用绑定到这类表达式的结果上。
>  *  返回非引用类型的函数，连同算数，关系，位以及后置递增/递减运算符，都生成右值。我们不能将一个左值引用绑定到这类表达式上，但我们可以将一个const的左值引用或者一个右值引用绑定到这类表达式上。

### **右值引用的作用** ###

通过右值引用的定义，我们可以知道，右值引用只能绑定到一个将要销毁的对象。我们可以通过右值引用的声明，使该右值又“重获新生”，其生命周期与右值引用类型变量的生命周期一样，只要该变量还活着，该右值临时量将会一直存活下去。这样，我们可以通过该右值引用继续使用该右值的数据。

看一下下面的代码：

#include<iostream>
    using namespace std;
    
    int g_constructCount=0;
    int g_copyConstructCount=0;
    int g_destructCount=0;
    
    struct A
    {
        A(){
            cout<<"construct: "<<++g_constructCount<<endl;
        }
    
        A(const A& a)
        {
            cout<<"copy construct: "<<++g_copyConstructCount<<endl;
        }
        ~A()
        {
            cout<<"destruct: "<<++g_destructCount<<endl;
        }
    };
    
    A GetA()
    {
        return A();
    }
    
    int main()
    {
       A a=GetA();
       return 0;
    }

为了清楚地观察临界值，在GCC下编译时设置编译选项-fno-elide-constructors来关闭返回值优化结果（返回值优化将会把临时对象优化掉）。

运行结果：

> construct: 1  
> copy construct: 1  
> destruct: 1  
> copy construct: 2  
> destruct: 2  
> destruct: 3

从上面例子中可以看到，在没有返回值优化的情况下，拷贝构造函数调用了两次，一次是GeTA()函数内部创建的对象返回后构造一个临时对象产生的，另一次是在main函数中构造a对象产生的。第二次的destruct是因为临时对象在构造a对象之后就摧毁了。

上述例子中，在main函数中创建了一个类A的对象a，并将GetA()返回的临时对象拷贝给a。如果在上面的代码中我们通过右值引用来绑定函数的返回值，结果又会怎么样呢？

gcc file.c -fno-elide-constructors 运行结果如下:

> construct: 1  
> copy construct: 1  
> destruct: 1  
> destruct: 2

我们会发现，通过右值引用，比之前少了一次拷贝构造函数和一次析构函数，原因在于右值引用绑定了右值，让临时右值的生命周期延长了。我们可以利用这个特点做一些性能优化，即避免临时对象的拷贝构造和析构。事实上，通过常量左值引用也经常用来做性能优化。将上面的代码改成：`const A&a=GetA();`  
输出结果与右值引用一样，因为常量左值引用是一个“万能”的引用类型，既可以接受非常量左值，常量左值，又可以接受非常量右值，常量右值。

### **特例：自动类型推断时的引用折叠** ###

当在发生自动类型推断时（如函数模板的类型自动推导，或auto关键字），T&&并不一定表示右值，它绑定的类型是未定的，既可能是左值又可能是右值。  
看看下面的例子：

template<class T>
    void f(T&& param);
    
    f(10);    //10是右值
    int x=10;
    f(x);    //x虽然是左值，但是正确

从上面的例子可以看出，param有时是左值，有时是右值。这表示param实际上是一个未定的引用类型，它是左值还是右值引用取决于它的初始化，如果T&&被一个左值初始化，它就是一个左值；如果它被一个右值初始化，它就是一个右值。  
当我们将10传入f函数时，因为10是int类型右值，所以T会被推导为int。  
而当我们将左值x对象传入f函数时，T会被推导为int&类型，此时函数参数为int & &&param，此时就涉及到引用折叠，int& &&等价于int&类型。

**引用折叠：**

*  所有的右值引用叠加到右值引用上仍然还是一个右值引用。（例：T&& &&折叠成T&&）
 *  所有的其他引用类型之间的折叠都将变成左值引用。 （例：T& &&折叠成T&）

**需要我们注意的是，未定的引用类型只在T&&下发生，任何一点附加条件都会使之失效，而变成一个普通的右值引用。**  
比如：

template<class T>
    void f(const T&&param);
    int x=10;
    f(x);    //错误，此时param是一个右值引用，x为左值，无法传给param

### **std::move** ###

通过上面的介绍，我们先看一下下面的代码：

int w1,w2;
    auto&& v1=w1;  //v1被推导为int&类型
    decltype(w1)&& v2=w2;  //错误

v1是一个未定的引用类型，它被一个左值初始化，所以它最终是一个左值；v2是一个右值引用类型，但它被一个左值初始化，一个左值初始化一个右值引用类型是不合法的，所以编译器会报错。  
但是，如果我们希望把一个左值赋给一个右值引用类型该怎么做呢？  
此时就用到了标准库move函数。

decltype(w1)&& v2=sstd::move(w2);   //正确

虽然我们不能将一个右值引用直接绑定到一个左值上，但我们可以显示地将一个左值转换为对应的右值引用类型。我们可以通过调用一个名为move的新标准库函数来获得绑定到左值上的右值引用。

我们知道，右值表示的是一个临时对象或即将被摧毁的对象，当我们调用move函数返回一个左值对象的右值引用类型时，就意味着承诺：除了对该对象赋值或摧毁它外，我们将不再使用它。我们不能对调用move后的对象的值做任何假设。