【C++练级之路】【Lv.22】C++11——右值引用和移动语义

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引言

关于C++11的final和override的知识，在之前已经提到过，这里不再赘述，有需要的请移步这篇博客【C++练级之路】【Lv.13】多态（你真的了解虚函数和虚函数表吗？）

一、右值引用

1.1 左值和右值

• 左值：可取地址，可在等号左右
• 右值：不可取地址，只能在等号右边

void test()
{int a;//左值10;//右值10 + 20；//右值
}

一般情况下，左值均为变量名，而右值则为字面常量、表达式等。

1.2 左值引用和右值引用的范围

void test()
{int& ref1 = a;//左值引用，可以引用左值//int& ref2 = a + b;//左值引用，不能引用右值（权限放大）const int& ref2 = a + b;//const左值引用，可以引用右值int&& ref3 = a + b;//右值引用，可以引用右值//int&& ref4 = a;//右值引用，不能引用左值int&& ref4 = move(a);//右值引用，可以引用move后的左值
}

• 左值引用，可以引用左值
• const左值引用，可以引用右值
• 右值引用，可以引用右值
• 右值引用，可以引用move后的左值

ps：move的作用，是将左值强制转换为右值引用，详情见move章节。
ps：右值的引用属性为左值，将右值引用后，右值会被存储起来，并可以取到地址。

1.3 左值引用的意义

左值引用：

1. 传引用传参，减少拷贝
2. 传引用返回，减少拷贝（限制：函数内的局部对象，不能传引用返回）

左值引用已经解决了绝大多数拷贝问题，但是唯一的缺陷就是不能传引用返回局部对象。所以，这就是右值引用存在的意义，为了补全这块不足。

而要完全理解右值引用的意义，则需要学习移动语义，理解右值引用是如何减少拷贝的。

二、移动语义

首先，给出一个自己实现的精简版string类，方便调试和观察内部细节。

namespace my
{class string{public:typedef char* iterator;iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}string(const char* str = ""): _size(strlen(str)), _capacity(_size){//cout << "string(char* str)" << endl;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}// 拷贝构造string(const string& s):_str(nullptr){cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;string tmp(s._str);swap(tmp);}// 赋值重载string& operator=(const string& s){cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << endl;string tmp(s);swap(tmp);return *this;}~string(){delete[] _str;_str = nullptr;}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}void push_back(char ch){if (_size >= _capacity){size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;reserve(newcapacity);}_str[_size] = ch;++_size;_str[_size] = '\0';}string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}string operator+(char ch){string tmp = *this;tmp += ch;return tmp;}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity; // 不包含最后做标识的\0};
}

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operator+是我们要重点观察的函数，特意拿出来方便对比：

string operator+(char ch)
{string tmp = *this;tmp += ch;return tmp;
}

2.1 移动构造

先来看看以下代码：

void test()
{my::string s1 = "hello";my::string s2 = s1 + '!';
}

在以往的经验中，operator+中的tmp(原始对象)传值返回，先拷贝构造给临时对象，tmp在函数域内销毁，然后临时对象再拷贝构造给s2(目标对象)，总共有两次深拷贝。

但是，如果运用上右值引用的移动构造，加上以下代码：

// 移动构造
string(string&& s): _str(nullptr)
{cout << "string(string&& s) -- 移动" << endl;swap(s);
}

此时，operator+中的tmp(原始对象)传值返回，直接和s2互换资源(称之为移动)，就可以直接无拷贝返回，直接减少了两次深拷贝。

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ps：如果符合编译器优化，编译器会自动将tmp识别为左值，从而将连续三次拷贝构造优化成一次。（VS2022）
ps：如果不符合优化，编译器才会将tmp强制识别为右值，从而符合移动语义。
ps：如果只有const&，右值会匹配；如果有&&，右值则会匹配更适合的。

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2.2 移动赋值

同理，再看看这段代码：

void test()
{my::string s1 = "hello";my::string s2;s2 = s1 + '!';
}

在以往的经验中，operator+中的tmp(原始对象)传值返回，先拷贝构造给临时对象，tmp在函数域内销毁，然后临时对象再赋值给s2(目标对象)，总共有两次深拷贝。

但是，如果运用上右值引用的移动赋值，加上以下代码：

// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动" << endl;swap(s);return *this;
}

此时，operator+中的tmp(原始对象)传值返回，直接和s2互换资源(称之为移动)，就可以直接无拷贝返回，直接减少了两次深拷贝。

ps：此时不是连续的拷贝构造，而是拷贝构造+赋值，所以编译器不会优化。

2.3 右值引用的意义

对于函数内的右值，分为两类：

• 纯右值：内置类型的右值
• 将亡值：自定义类型的右值

右值引用：把将亡值的资源直接移动，从而减少两次深拷贝。

2.4 move

move 是一个模板函数，它接受一个左值引用，并返回一个右值引用。这允许我们指示编译器，我们可以安全地“移动”这个左值的资源，而不是复制它们。

template<class _Ty>
inline typename remove_reference<_Ty>::type&& move(_Ty&& _Arg) _NOEXCEPT
{// forward _Arg as movablereturn ((typename remove_reference<_Ty>::type&&)_Arg);
}

ps：move 只是一个“建议”或“请求”，而不是强制。它告诉编译器：“这个对象我不再需要了，你可以安全地将其资源移动给另一个对象。”

但是，如果对象的类型没有定义移动构造函数或移动赋值运算符，或者这些函数被标记为 delete，那么编译器仍然会进行复制操作。

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同时，使用move一定要慎重，如果要进行资源移动，要确保move的左值不会再使用。

void test()
{string s1 = "hello";string s2 = move(s1);
}

以上代码中，move后的s1被识别为右值，调用右值引用的移动构造，将s1的资源移动到s2，而s1本身就被置空了。

2.5 移动插入

C++11更新后，STL中所有容器都新增了移动版本的插入函数。那么，它与原先的插入函数有什么不同呢？

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先来看看以下代码：

void test()
{vector<string> v;v.push_back("1111");
}

C++98：void push_back (const T& val);
先利用右值构造string，再拷贝构造插入vector。

C++11：void push_back (T&& val);
先利用右值构造string，再移动插入vector。

综上比较，移动插入相较于传统插入，减少了一次深拷贝，效率得到了提高。

ps：const& 延长右值生命周期(C++98)

三、完美转发

3.1 万能引用

template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)//万能引用（引用折叠）
{}

函数模板参数中的T&&，不再代表右值引用，而是代表万能引用(又称引用折叠)。它能以统一的方式处理左值和右值，既能接收左值引用，也能接收右值引用。

• t为右值时，保持为T&&
• t为左值时，折叠为T&

3.2 forward

void Fun(int& x) { cout << "左值引用" << endl; }
void Fun(const int& x) { cout << "const 左值引用" << endl; }
void Fun(int&& x) { cout << "右值引用" << endl; }
void Fun(const int&& x) { cout << "const 右值引用" << endl; }template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)//万能引用（引用折叠）
{Fun(t);
}void test()
{PerfectForward(10);//右值int a;PerfectForward(a);//左值PerfectForward(move(a));//右值const int b = 8;PerfectForward(b);//const 左值PerfectForward(move(b));//const 右值
}

前面已经提到，右值的引用属性为左值(只有这样设计才能实现移动语义)，那么在上述代码中，调用Fun函数就全部是左值引用，无法达到区分左值和右值的效果。

那么，如何在传递中保持参数的属性呢？这时就要用到完美转发！

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forward 是一个模板函数，如果接收左值引用，则返回左值引用，如果接收右值引用，则返回右值引用。

template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)//万能引用（引用折叠）
{Fun(forward<T>(t));//完美转发
}

完美转发允许函数模板将其参数以原始值类别（左值或右值）转发给另一个函数。这通常用于包装或委托函数。

四、新增默认成员函数

class Person
{
public:Person(const char* name = "", int age = 0):_name(name), _age(age){}//Person(const Person& p)//	:_name(p._name)//	,_age(p._age)//{}//Person& operator=(const Person& p)//{//	if(this != &p)//	{//		_name = p._name;//		_age = p._age;//	}//	return *this;//}//~Person()//{}
private:my::string _name;int _age;
};

4.1 移动构造函数

若未显式定义，且未显式定义拷贝构造、拷贝赋值、析构，编译器才会自动生成默认的移动构造函数。对内置类型值拷贝，对于自定义类型调用其移动构造函数（若未显式定义，则调用其拷贝构造）

4.2 移动赋值重载

若未显式定义，且未显式定义拷贝构造、拷贝赋值、析构，编译器才会自动生成默认的移动赋值重载。对内置类型值拷贝，对于自定义类型调用其移动赋值重载（若未显式定义，则调用其拷贝赋值重载）

void test()
{Person s1;Person s2 = s1;Person s3 = move(s1);//移动构造Person s4;s4 = move(s2);//移动赋值
}

4.3 default

强制生成默认成员函数

Person(Person&& p) = default;//强制生成默认移动构造
Person& operator=(Person&& p) = default;//强制生成默认移动赋值

4.4 delete

禁止生成默认成员函数

Person(const Person& p) = delete;//禁止生成默认拷贝构造
Person& operator=(const Person& p) = delete;//禁止生成默认拷贝赋值

ps：C++98中，将函数设置为private，以此达到禁止生成默认成员函数的目的。

真诚点赞，手有余香