C++11——右值引用

Posted 2021-11-23 两片空白

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前言

一.右值引用的概念

        1.1 左值和右值的概念

        1.2 引用和右值引用比较

二.右值引用的作用

        2.1引用的缺陷

        2.1 移动语义

        2.2 右值引用的具体应用

        2.3 对比引用总结

三.右值引用引用左值(move)

四.完美转化

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前言

        在C++98中也有一个引用，为左值引用，但是左值引用有一些不足。而C++11的右值引用的提出弥补了左值引用的不足。

        左值引用和右值引用都是别名。

        说明：下面说引用都代表C++98的左值引用。

一.右值引用的概念

        右值引用也是一块空间的别名。只能对右值进行引用。使用是在类型后面加两个&&。

#include<iostream>
using namespace std;

int Add(int x, int y){
	return x + y;
}

int main(){
	const int&& ra = 10;//右值引用
	//函数返回值为一个临时变量，是右值
	int&& ret = Add(2, 3);//右值引用
	return 0;
}

        1.1 左值和右值的概念

        左值和右值是C语言的概念，但是C语言没有给出严格的标准，一般认为，可以放在等号"="左边的是左值，可以放在等号右边的是右值。但是这个说法是错误的。

比如：

#include<iostream>
using namespace std;

int main(){
	//a,b是左值，10和20是右值
	int a = 10;
	int b = 20;
	//此时b也可以放在等号右边
	//a也可以放在等号右边
	a = b;
	b = a;

	return 0;
}

左值和右值是不好区分的，这里我们一般这样认为：

• 左值：一般是可以修改的值，可以取地址的，通常是变量。
• 右值：一般是常量(除const 修饰的)，表达式或者函数的传值返回(生成临时变量)。

        注意：传引用返回是右值。

C++11有对右值进行了严格的区分：

• 纯右值：比如常量，表达式值a+b
• 将亡值：比如函数传值返回，表达式的中间结果。顾名思义，将亡值的空间马上就要被释放了。

        1.2 引用和右值引用比较

• 引用，只能引用左值，不能引用右值。但是const引用既可以引用左值，又可以引用右值。

int main(){
    //a为左值，10为右值
	int a = 10;
	int& ra1 = a;
	const int& ra2 = a;

	//int& ra3 = 10;//编译错误，10为右值
	const int& ra3 = 10;

	return 0;
}

• 右值引用：只能引用右值，不能引用左值。但是右值引用可以引用move之后的左值。move在后面有介绍，可以认为是改变了左值的属性，变成了右值。

int main(){
	//a为左值，10为右值
	int a = 10;
	int&& ra1 = 10;

	//int&& ra2 = a;//a为左值，编译错误
	int&& ra2 = move(a);//move后就可以了

	return 0;
}

二.右值引用的作用

        右值引用和引用都是别名，为什么还要提出右值引用呢？

        2.1引用的缺陷

#include<iostream>
using namespace std;

class String{
private:
	char *_str;
public:
    //构造
	String(char *str = " "){
		_str = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(_str, str);
	}

	//拷贝构造
	String(const String& s){

		cout << "String(const String& s)——拷贝构造" << endl;
		_str = new char[strlen(s._str) + 1];
		strcpy(_str, s._str);
	}

	
};

String Fun(String& s){
	String ret(s);
	return ret;
}
~String()
{
    if(_str)
        delete[] _str;
}
int main(){

	String s1("左值");
	String s2 = Fun(s1);

	getchar();
	return 0;
}

        我们知道引用做参数和返回值是可以减少拷贝构造，特别是对于深拷贝的，可以提高效率。但是，当返回值是函数的局部对象时，不能引用返回，需要传值返回。

//需要传值返回
String Fun(String& s){
	String ret(s);
	return ret;
}

        当将返回值函数返回值赋给另外一个对象s2时。 会调用String类的拷贝构造函数，进行深拷贝。

String s1("左值");
String s2 = Fun(s1);

      ret在按照值返回时，必须拷贝构造一个临时对象，需要进行深拷贝。将Fun函数返回值赋值给s2时，也就是将临时对象拷贝构造s2，也需要进行深拷贝。仔细观察发现：s2和临时对象空间里的内容是相同的，而它们三个都有独立的空间，相当于创建了三个完全相同的对象。这样对于空间来说是一种浪费，程序效率也会降低。

        下面来说如何优化。

        2.1 移动语义

• 移动语义：将一个对象中的资源移动到另外一个对象中。

如上缺陷，我们可以这样优化：

        我们知道临时变量是内容和s2的内容相同，而临时对象是一个将亡值。我们可以在临时对象拷贝构造s2时，不进行深拷贝，而是将临时对象空间的资源换给对象s2。

        临时对象是将亡值，也就是右值，我们可以重载一个参数为右值引用的拷贝构造函数。我们将这个拷贝构造函数称为移动构造。

        参数s右值引用的是临时变量。将临时变量的资源移动到this指针，也就是s2中。而临时对象在构造完s2后，就会被销毁。

//移动构造
String(String&& s){
    _str = s._str
	s._str = nullptr;
}

整个过程：

        由于ret是左值，在拷贝构造临时对象时，调用的是拷贝构造函数，而临时对象是右值(将亡值)，在构造s2时，会调用移动构造，将临时对象的资源换给了s2。这样减少了一次深拷贝的过程。

#include<iostream>

using namespace std;

class String{
private:
	char *_str;
public:
	String(char *str = " "){
		_str = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(_str, str);
	}

	//拷贝构造
	String(const String& s){

		cout << "String(const String& s)——拷贝构造" << endl;
		_str = new char(strlen(s._str) + 1);
		strcpy(_str, s._str);
	}
	//移动构造
	String(String&& s){
		cout << "String(const String& s)——移动构造" << endl;
		_str = s._str;
		s._str = nullptr;
	}

	
	~String()
	{
		if (_str)
			delete[] _str;
	}
	
};

//需要传值返回
String Fun(String& s){
	String ret(s);//调用拷贝构造
	return ret;
}

int main(){

	String s1("左值");
	String s2(Fun(s1));//调用移动构造

	return 0;
}

 这里编译器做了优化，ret调用拷贝构造函数构造临时对象的过程省略了。

注意：

• 在移动构造函数的参数一定不能设置成const类型的右值引用，否则不能修改，资源无法转移。
• 在C++11中，编译器会为了类默认生成一个移动构造，该移动构造为浅拷贝，因此当类中涉及到资源管理，必须显示自己的移动构造。

        2.2 右值引用的具体应用

        右值引用的主要应用就是重载了移动构造函数，利用了将亡值，将将亡值的空间内容交换到要拷贝的对象中。减少了深拷贝。

• 右值引用做函数的参数

        由于右值引用引用的是右值(将亡值)，当函数体里需要对该参数进行拷贝构造时，会调用移动拷贝构造。减少深拷贝。提高效率。

• 函数传值返回，用对象接收。

        函数传值返回，返回一个临时对象，是一个将亡值。再用对象接收，临时对象拷贝构造对象。会调用移动拷贝构造函数，减少深拷贝。

        2.3 对比引用总结

        引用和右值引用本质的作用都是减少拷贝。右值引用弥补了引用的不足。右值引用提高了传值返回的效率。

引用：

        引用做参数和返回值可以减少拷贝构造。但是，当返回的对象出了作用域就不在了，只能传值返回。

        如果没有右值引用，用对象接收，会调用拷贝构造，对于string/vector等容器，需要进行深拷贝。效率低。

右值引用：

       右值引用的主要应用就是重载了移动构造函数，利用了将亡值，将将亡值的空间内容交换到要拷贝的对象中。减少了深拷贝。

        当函数传值返回时，用对象接收，会调用移动构造函数，对于string/vector等容器，不需要进行深拷贝，只需要将右值引用交换到构造的对象中即

        右值引用做参数，函数体里有需要拷贝构造右值引用的，会调用移动构造，不会进行深拷贝。

三.右值引用引用左值(move)

        按照语法，右值引用只能引用右值。但是在有些场景下，需要用到右值去引用左值来实现移动语义。

        当右值引用一个左值，需要通过move函数将左值转化为右值。可以理解成将一个左值的属性改成右值返回。

int main(){
	//a为左值，10为右值
	int a = 10;
	int&& ra1 = 10;

	int&& ra2 = move(a);//move后就可以了

	return 0;
}

        注意：被转化的左值，其生命周期并没有随着左值的转化而改变，move并不会销毁左值。但是，move后，会改变左值的内容。如果后序还会使用到左值，要慎用move。

        在STL中也有一个move函数，作用时将一个范围中的元素搬到另外一个位置。

如下：用的上面这个类。

四.完美转化

        转发是：按照模板参数的类型，将参数传递给函数模板中调用的另外一个函数。

#include<iostream>
using namespace std;

void Fun(int &x){ 
	cout << "lvalue ref" << endl; 
}
void Fun(int &&x){ 
	cout << "rvalue ref" << endl;
}

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

int main()
{
	PerfectForward(10); //10是右值

	return 0;
}

         下面PerfectForward()是转化的模板函数，Func为实际目标函数。但是这里有一个问题。如下：10是右值，但是调用的确是左值引用的函数。说明在PerfectForward()模板函数转发过程中，10的右值属性丢失了。

         完美转发：是目标函数总希望参数的实际类型不会因为转化函数而发生改变。就好像转化函数不存在。也就是，当函数模板在向其它函数传递自身的形参时，如果相应实参时左值，它转化的就是左值，如果相应实参是右值，它转化的就是右值。

        完美转化需要通过forward函数来实现。

void Fun(int &x){ 
	cout << "lvalue ref" << endl; 
}
void Fun(int &&x){ 
	cout << "rvalue ref" << endl;
}

template<typename T>
void PerfectForward(T &&t){
	Fun(forward<T>(t)); //在需要转化函数的的目标函数参数调用forward函数
}
int main()
{
	PerfectForward(10); // rvalue ref

	system("pause");
	return 0;
}