第14课 右值引用_基本概念

Posted 2020-10-11 浅墨浓香

1. 左值和右值

（1）两者区别：

　　①左值：能对表达式取地址、或具名对象/变量。一般指表达式结束后依然存在的持久对象。

　　②右值：不能对表达式取地址，或匿名对象。一般指表达式结束就不再存在的临时对象。

（2）右值的分类

　　①将亡值（xvalue，eXpiring value）：指生命期即将结束的值，一般是跟右值引用相关的表达式，这样表达式通常是将要被移动的对象，如返回类型为T&&的函数返回值（如std::move）、经类型转换为右值引用的对象（如static_cast<T&&>(obj)）、xvalue类对象的成员访问表达式也是一个xvalue（如Test().memberdata，注意Test()是个临时对象）

　　②纯右值（prvalue， PureRvalue）：按值返回的临时对象、运算表达式产生的临时变对象、原始字面量和lambda表达式等。

（3）C++11中的表达式

 

　　①表达式是由运算符(operator)和运算对象(operand)构成的计算式。字面值和变量是最简单的表达式，函数的返回值也被认为是表达式。

　　②表达式是可求值的，对表达式求值将得到一个结果，这个结果有两个属性：类型和值类别，而表达式的值类别必属于左值、将亡值或纯右值三者之一。

　　③“左值”和“右值”是表达式结果的一种属性。通常用“左值”来指代左值表达式，用“右值”指代右值表达式。

2. 右值引用和左值引用

（1）右值引用和左值引用

　　①右值引用和左值引用都是属于引用类型。无论是声明一个左值引用还是右值引用，都必须立即进行初始化。

　　②左值引用是具名变量/对象的别名，右值引用是匿名变量/对象的别名。

　　③左值和右值是独立于它的类型的，即左右值与类型没有直接关系，它们是表达式的属性。具名的右值引用是左值，匿名的右值引用是右值。如Type&& t中t是个具名变量（最简单的表达式），t的类型是右值引用类型，但具有左值属性。而Type&& func()中的返回值（是个表达式）是右值引用类型，但具有右值属性（因为是个匿名对象）。

（2）C++中引用类型及其可以引用的值类别

引用类型	可以引用的值类别				备注
	非常量左值	常量左值	非常量右值	常量右值
Type&	Y	N	N	N	只能绑定到非常量左值
const Type&	Y	Y	Y	Y	万能类型、用于拷贝语议
Type&&	N	N	Y	N	只能绑定到右值。用于移动语义和完美转发
const Type&&	N	N	Y	Y	暂无用途

　　①常量左值引用是个“万能”的引用类型。它可以接受非常量左值、常量左值、右值对其进行初始化。

　　②常量左值引用可以使用右值进行初始化，这时它可以像右值引用一样将右值的生命期延长。不过相比于右值引用所引用的右值，常量左值所引用的右值在它的“余生”中只能是只读的。

【编程实验】左、右值引用

#include <iostream>
#include <type_traits>

//编译选项：g++ -std=c++11 test1.cpp -fno-elide-constructors
using namespace std;

//左/右值以及左/右值引用

struct Test
{
    int m;

public:
    Test(){cout << "Test()" << endl;}
    Test(const Test& t){cout << "Test(const Test&)" << endl;}
    Test(Test&& t){cout << "Test(Test&&)" << endl;}
    
    ~Test(){cout << "~Test()" << endl;}
};

Test&& func()
{
    return Test(); //不安全！返回局部对象的引用（用于演示）！
}

Test ReturnRvalue()
{
    return Test(); 
}

int main()
{
    //1. 左、右值判断
    int i = 0;
    int&& ri = i++; //i++为右值，表达式返回是i的拷贝，是个匿名变量。故为右值。
    int&  li = ++i; //++i返回的是i本身，是具名变量，故为左值。
    
    int* p = &i;
    int& lp = *p;    //*p是左值，因为可以取*p的地址，即&(*p);
    int* && rp = &i; //取地址表达式结果是个地址值，故&i是纯右值。
    
    int&& xi1 = std::move(i); //std::move(i)是个xvalue
    int&& xi2 = static_cast<int&&>(i); // static_cast<int&&>(i)是个xvalue
    
    auto&& fn = [](int x){ return x * x; }; //lambda表达式是右值,可以用来初始化右值引用
    cout << std::is_rvalue_reference<decltype(fn)>::value << endl; //1
    
    Test t;
    int& rm1  = t.m; //由于t是左值，而m为普通成员变量，所以m也为左值。
    int&& rm2 = Test().m; //由于Test()是个右值，所以m也是右值
    
    int Test::*pm = &Test::m; //定义指向成员变量的指针，指向non-static member data;
    //int&& rm3 = t.*pm; //error，由于t是左值，*pm也是左值，不能用来初始化右值引用。
    int& rm3 = t.*pm;    //ok
    int&& rm4 = Test().*pm; //ok，Test()是临时变量，为右值。所以*pm也是右值
    
    //2. 左/右值引用的初始化
    int a;
    int&  b = a;  //ok
    //int&& b = a;  //error，右值引用只能绑定到右值上    
    
    Test&& t1 = ReturnRvalue();  //返回值是个临时对象(右值) 被绑定到t1上，使其“重获新生”，
                                 //生命期与t1一样。
    Test   t2 = ReturnRvalue();  //返回值是个临时对象(右值)，用于构造t2，之后该临时对象
                                 //就会马上被释放。
    //Test&  t3 = ReturnRvalue();    //普通左值引用不能绑定到右值
    const Test& t4 = ReturnRvalue(); //常左值引用是个“万能引用”，可以绑定到右值    
    
    
    //system("pause");
    return 0;
}

3. universal引用（T&&）

（1）T&&的两种含义

　　①右值引用：当T是确定的类型时，T&&为右值引用。如int&& a;

　　②当T存在类型推导时，T&&为universal引用，表示一个未定的引用类型。如果被右值初始化，则T&&为右值引用。如果被左值初始化，则T&&为左值引用。

（2）引用折叠

　　①由于引用本身不是一个对象，C++标准不允许直接定义引用的引用。如“int& & a = b;”（注意两个&中间有空格，不是int&&）这样的语句是编译不过的。

　　②当类型推导时可能会间接地创建引用的引用，此时必须进行引用折叠。具体折叠规则如下：

　　　　A. X& &、X& &&和X&& &都折叠成类型X&。即凡是有左值引用参与的情况下，最终的类型都会变成左值引用。

　　　　B. 类型X&& &&折叠成X&&。即只有全部为右值引用的情况才会折叠为右值引用。

　　③引用折叠规则暗示我们，可以将任意类型的实参传递给T&&类型的函数模板参数。

（4）注意事项

　　①只有当发生自动类型推导时（如函数模板的类型自动推导或auto关键字），&&才是一个universal引用。当T的类型是确定的类型时，T&&为右值引用。

　　②当使用左值（类型为A）去初始化T&& t时，类型推导为A& &&，折叠会为A&，即t的类型为左值引用。而如果使用右值初始化T&&时，类型推导为A&&，一步到位无须折叠。

　　③universal引用仅仅在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（const T&&被const修饰就成了右值引用）

【编程实验】引用折叠

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

//编译选项：g++ -std=c++11 test2.cpp

class Widget{};

template<typename T>
class Foo
{
public:
    typedef T&& RvalueRefToT;  //RvalueRefToT为universal引用
};

//universal引用： T&&存在类型推导
template<typename T>
void func(T&& param)    //存在类型推导param为universal引用
{};

//非universal引用：形参必须是严格的T&&格式。
template<typename T>
void func(vector<T>&& param){}; //param是一个右值引用，因为当给func传入实参时，T被推导后vector<T>&&的类型是确定的。
                                
//非universal引用：形参必须是严格的T&&格式。
//哪怕被const修饰也不行
template<typename T>
void func(const T&& param);  //param是一个右值引用

//比较universal引用和右值引用
//假设实例化后为:Vector<Widget> v;
template<class T, class Allocator=allocator<T>>
class Vector{

public:
    //虽然push_back的形参符合T&&格式，但不是universal引用因为Vector实例化后，push_back的形参类型就确定下来
    //所以在调用时push_back函数时并不存在类型推导。
    void push_back(T&& x);
    
    //Arg&&存在类型推导，所以args的参数是universal引用。因为参数Args独立于vector的类型参数T，所以每次emplace_back被调用的时候，Args必须被推导。
    template<class ...Args>
    void emplace_back(Args&&...args);
};

int main()
{
    void f(Widget&& param);   //没有类型推导，param为右值引用
    Widget&& var1 = Widget(); //没有类型推导，var1为右值引用
    
    //1. auto中可能发生引用折叠
    auto&& var2 = var1;   //存在类型推导，var2为universal引用。var2被左值初始化,auto被推导为Widget& &&，折叠后为Widget&
    int w1, w2;
    auto&& v1 = w1;           //v1是universal引用。被左值初始化，所以其类型为int&
    auto&& v2 = std::move(w1);//v2为universal引用，被右值初始化，所以类型为int&&
    
    //2. decltype中可能发生引用折叠：decltype(x)会先取出x的类型，再通过引用折叠规则来定义变量
    decltype(v1)&& v3 = w2;            //v1的类型为int&，所以v3为int& &&，折叠后为int&
    decltype(v2)&& v4 = std::move(w2); //v2的类型为int&&，所以v4为int&& &&，折叠后为int&&
    decltype(w1)&& v5 = std::move(w2); //w1的类型为int，所以v5为int&&
    
    //3. typedef时可能发生的引用折叠
    Foo<int&> f1;  //==>typedef int& && RvalueRefToT; 折叠后：typedef int& RvalueRefToT;
    Foo<int&&> f2; //typedef int&& && RvalueRefToT;   折叠后：typedef int&& RvalueRefToT;
    
    int i = 0;
    int& r1 = i; //ok
    //int& &r2 = r1; //error，不能直接定义引用的引用
    
    typedef int& rint;
    rint r2 = i; //ok，r1为int&类型
    rint &r3 = i; //间接定义引用的引用时，会发生引用折叠。如int& &r3 ==>int& r3
    
    //4. 函数模板参数中可能发生引用折叠
    Widget w;
    func(w);   //用左值w初始化T&&，存在类型推导T为Widget&,传入func后为Widget& &&，折叠后为Widget&，所以param的类型为Widget&，是个左值引用
    func(std::move(w)); //用右值初始化T&&，T被推导为Widget，传入
                        //func后为Widget&&，所以param为右值引用。
    vector<int> v;                
    func(std::move(v));   //调用右值引用的版本：func(vector<T>&& param)。
    
    return 0;
}

4. &&的总结

（1）左值和右值是表达式的属性，独立于它们的类型。比如，右值引用类型可能是左值也可能是右值。编译器将具名的右值引用视为左值，匿名的右值引用视为右值。

（2）auto&&或函数参数存在类型推导时，T&&是一个未定的引用类型。它可能是左值引用，也可能是右值引用，取决于初始化的值类型。

（3）所有的右值引用叠加到右值引用上仍然是一个右值引用，其它种叠加都是左值引用。