C++11右值引用

文章目录

左值
- 左值引用
右值
右值引用
左值引用和右值引用
- 左值引用和右值引用总结
右值引用使用场景和意义
- 左值引用的使用场景
- 左值引用的缺点
- 右值引用
- - 移动构造
  - 移动赋值
- 右值引用的其他使用场景
万能引用
- 完美转发
- 完美转发的实际应用场景

C++11之前就有了引用的语法，而C++11中新增了的右值引用语法特性，所以在C++11之前的引用就叫做左值引用。无论左值引用还是右值引用，都是给对象取别名。
首先认识一下左值和右值，在来认识左值引用和右值引用。

左值

左值是一个表示数据的表达式(如变量名或解引用的指针)，我们可以获取它的地址+可以对它赋值，左值可以出现赋值符号的左边，也可以出现在赋值符号的右边。

比如下面a,p,*p,b变量都是左值：

int a = 0;
int* p = new int(1);
const int b = 0;

左值引用

引用就是给变量取别名，左值引用就是给左值取别名。
左值引用符号&
比如下面refa,refp,pvalue,refb都是左值引用

//a,p,b都是左值
int a = 0;
int* p = new int(1);
const int b = 0;

//refa,refp,pvalue,refb都是左值引用
int& refa = a;//左值a的引用
int*& refp = p;//左值p的引用
int& pvalue = *p;//左值*p的引用
const int& refb = b;//左值b的引用

更多关于引用的知识在之前C++入门的博客中有详细的介绍C++入门。
这篇文章主要介绍C++11新引入的右值引用

右值

右值也是一个表示数据的表达式，如：字面常量、表达式返回值，函数返回值(临时对象)等等，右值可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现出现在赋值符号的左边，右值不能取地址。
比如下面10,a+b,fun(a+b)都是右值。

int fun(int a)
{
	return a;
}
int main()
{
	//a,p,b都是左值
	int a = 0;
	int* p = new int(1);
	const int b = 0;

	//10,a+b,fun(a+b)都是右值
	10;
	a + b;
	fun(a + b);
	return 0;
}

注意右值不能出现在=左边，
比如上面的右值出现在=左边时：

a + b = 1;//error编译错误，"="左边的操作数必须是左值

右值引用

右值引用就是对右值的引用，给右值取别名。
右值引用符号&&
比如下面ref1,ref2,ref3都是右值引用

//10,a+b,fun(a+b)都是右值
10;
a + b;
fun(a + b);

//ref1,ref2,ref3都是右值引用
int&& ref1 = 10;//右值10的引用
int&& ref2 = a + b;//右值a+b的引用
int&& ref3 = fun(a + b);//右值fun(a+b)的引用

左值引用和右值引用

左值引用可以引用右值吗？右值引用可以引用左值吗？

先说结论：可以。
右值是一些字面量和一些表达式和函数返回值的临时对象，而临时对象具有常性。所以const左值引用也可引用右值。
比如下面ref就是左值引用对右值的引用：

int fun(int a)
{
	return a;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 1;
	//右值 这里的fun(a+b）是临时变量，生命周期只有自己所在的这一行
	fun(a + b);
	//左值引用引用右值
	const int& ref = fun(a + b);//这里因为临时变量具有常性，所以要加const才可以。
}

右值引用也可以引用左值。
比如下面ref就是右值引用对左值的引用：

int main()
{
	//左值a
	int a = 0;
	//右值引用引用左值，必须使用move函数来完成
	int&& ref = move(a);
	return 0;
}

关于move函数简单的认为就是右值引用引用左值必须要使用的。

左值引用和右值引用总结

左值引用
- 左值引用只能引用左值，不能引用右值
- const左值既可以引用左值，也可以引用右值
右值引用
- 右值引用只能引用右值，不能引用左值
- 但是右值引用可以move以后的左值

右值引用使用场景和意义

正片开始，上面主要介绍了左值引用和右值引用，通过前面可以看到左值引用既可以引用左值和又可以引用右值，那为什么C++11还要提出右值引用呢？下面就来看看左值引用的短板，右值引用是如何补齐这个短板的！
更好的观察到现象，这里提供一个简易版的stirng类，通过控制台输出信息更好的观察程序运行情况和结果。

namespace ding
{
	class string
	{
	public:
		typedef char* iterator;
		iterator begin()
		{
			return _str;
		}
		iterator end()
		{
			return _str + _size;
		}
		// 默认构造
		string(const char* str = "")
			:_size(strlen(str))
			,_capacity(_size)
		{
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}
		//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);
		}
		//移动构造
		string(string&& s)
			:_str(nullptr)
			,_size(0)
			,_capacity(0)
		{
			cout << "string(string&& s) ---  移动构造" << endl;
			swap(s);
		}
		// 移动赋值
		string& operator=(string&& s)
		{
			cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动语义" << endl;
			swap(s);
			return *this;
		}
		string operator=(const string& s)
		{
			string tmp(s); 
			swap(tmp); 
			return *this;
		}
		~string()
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}
		void swap( string& s)
		{
			std::swap(_str, s._str);
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};
}

左值引用的使用场景

介绍左值引用的短板的时候，先看一下左值引用的使用场景。

做函数参数和返回值都可以提高效率。
比如：
下面代码全部会调用上面的string类，可以打印信息，方便观察结果。

void fun1(ding::string str)
{}
void fun2(ding::string& str)//左值引用做函数参数
{}
int main()
{
	ding::string s1("hello world");
	fun1(s1);

	fun2(s1);
	return 0;
}

运行结果：

对于fun1函数来说，是一个左值做函数参数，main函数中的s1传给fun1函数参数str时，会自动调用拷贝构造函数，生成一份s1传给str。mian函数中的s1对象和fun1函数参数str是两块不同的地址空间。在fun1函数中修改str不会影响到main函数中的s1对象。
对于fun2函数来说，是一个左值引用左函数参数，fun2函数中的str就是对main函数中的s1取别名，他俩是同一块地址空间。在fun2函数中修改str对象会影响到mian函数中的s1对象。
可以看出，左值引用做函数参数时，会减少拷贝，如果一个函数中相对外部对象做修改，那么传引用效率会更高，比传指针还高。因为指针还要占用4个字节大小空间。当然4个字节的空间不是很多，但是引用总比指针操作简单。

左值引用的缺点

左值引用做返回值，并不能完全避免函数返回对象时的拷贝。
当函数返回对象是一个局部变量，出了函数作用域就不存在了，就不能使用左值引用返回，只能传值返回。这就是左值引用的短板。
下面用一个例子来说明:

ding::string fun()
{
	ding::string str;//函数局部对象
	return str;
}

int main()
{
	ding::string s1 = fun();
	return 0;
}

主函数调用fun函数，fun函数里面的局部变量做返回值，这里不能使用传引用返回，因为str是一个局部变量，出了这个函数后就被销毁了。只能使用传值返回，传值返回一定会在str析构之前调用拷贝构造函数来生成一份临时对象，然后临时对象在调用拷贝构造赋值给主函数的s1对象。

临时对象具有常性，cosnt左值引用可以引用，而拷贝构造函数的参数就是const左值引用类型。这里就会调用拷贝构造来完成。而拷贝构造函数又是一次深拷贝。这里编译器会优化，本来两次的拷贝构造编译器直接优化成了一次拷贝构造来完成。

这里还不能使用左值引用左返回值，只能使用值传递，值传递又会导致一次拷贝构造，C++11引入了右值引用来解决这一问题。

运行结果如下：

(这里我用的是vs2017专业版的，如果是新一点的编译器会优化，比如22版，会优化，一次调用也没有。如果是老一点的编译器，可能会调用两次。)

在Linux平台下使用g++(4.8.5)编译也是会优化，一次都不会调用。
下面的测试环境都在vs2017专业版下面进行测试了。

右值引用

移动构造

右值引用解决上面的问题就是给string类提供一个移动构造。
函数如下：

//移动构造(右值引用做为函数参数)
string(string&& s)
        :_str(nullptr)
{
        cout << "string(const string&& s) --- 移动拷贝" << endl;
        swap(s);
}

移动构造函数不再调用构造函数取初始化，不涉及资源申请，直接交换两个对象即可。效率会比拷贝构造更高。
此时同样的代码，运行结果如下：

此时编译器会调用移动构造，来完成资源的移动，而不是像深拷贝一样，释放资源之前先拷贝一份临时资源在进行释放。效率更高。移动构造本质是将参数右值的资源窃取过来，占位已有，那么就不用做深拷贝了，所以它叫做移动构造，就是窃取别人的资源来构造自己。

移动赋值

不仅仅有移动构造，还有移动赋值，他们的本质都是一样的，不再申请新的资源，直接将之前的资源窃取过来，不用在做深拷贝，提高了效率。移动赋值函数如下：

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

比如下面程序就会调用移动赋值

ding::string fun()
{
	ding::string str;
	return str;
}

int main()
{
	
	ding::string s1;
	s1 = fun();//调用移动赋值
	return 0;
}

运行结果：

如果不提供移动赋值，就会去调用赋值运算完成深拷贝。大大的提高了效率。

在C++11之后，STL库中的容器都支持了移动构造和移动赋值，
比如string类

总结：
通过上面的例子可以看出，cosnt左值引用去引用右值也是有价值的，比如没有移动构造的时候，右值析构之前会调用拷贝构造函数来完成资源的保存，但是会重新申请空间保存资源。在C++11之后，有了右值引用之后，右值直接转移资源，不再涉及资源申请的问题。提高了效率。这也是左值引用无法解决的问题。

右值引用的其他使用场景

C++11更新了右值引用之后，STL库中除了增加移动赋值和移动构造，有些插入函数还新增了右值引用版本。比如
list的push_back接口

下面就研究一下右值引用做为插入函数接口参数的意义。
当一个链表中存放的是上面自己模拟实现简易的sting类时，向list中push_back元素：如下

int main()
{
	ding::string s1("Hello World");
	list<ding::string> l1;
	//调用string的拷贝构造(深拷贝)
	l1.push_back(s1);
	//调用string的移动构造
	l1.push_back("xxx");
	//调用string的移动构造
	l1.push_back(ding::string("xxxx"));
	//调用string的移动构造
	l1.push_back(move(s1));
	return 0;
}

上面代码中,s1是左值，会调用左值引用版本的push_back();val就是左值引用，push_back时就会调用拷贝构造来构造string对象。此时val就是深拷贝。
后面的三个push_back传的都是右值，会去调用右值版本的push_back。val就是右值引用。调用移动构造来完成结点的插入。这样效率就会提高很多。

万能引用

模板中的万能引用。
在模板中&&符号是万能引用，即可以当做右值引用，也可以当做左值引用。
比如:

template<class T>
void fun(T&& data)
{
	//....
}

函数参数data既不是左值引用也不是右值引用，而是万能引用。模板的万能引用只提供了同时接收左值和右值的能力，但是引用类型唯一作用就是限定了接收的类型，后续使用中都退化成了左值。比如上面fun函数中的data参数，万能引用只提供了同时接收左值和右值的功能，但是在函数体内后续使用data，data都只是左值。如果想让data继续保持原有属性，就要用到完美转发。

完美转发

完美转发主要解决的是模板中万能引用后退化成左值的问题。
比如下面代码

template<class T>
void Func(T& data)
{
	cout << "左值引用" << endl;
}
template<class T>
void Func(const T& data)
{
	cout << "const 左值引用" << endl;
}
template<class T>
void Func(T&& data)
{
	cout << "右值引用" << endl;
}
template<class T>
void Func(const T&& data)
{
	cout << "const 右值引用" << endl;
}
template<class T>
void PerfectForward(T&& data)
{
	Func(data);
}

int main()
{
	double a = 0;
	PerfectForward(a);//左值

	const int b = 1;
	PerfectForward(b);//const左值

	PerfectForward(10);//右值

	PerfectForward(move(b));//const 右值

	return 0;
}

运行结果：

可以发现，全部调用左值和const左值的函数了，而右值也调用左值版本的Func函数了。
这个原因是因为先调用PerfectForward函数，在PerfectForward函数中在调用Func函数。
而在PerfectForward函数中，向data传的不论是左值还是右值，data在后续使用过程中都是左值，所以上面程序运行的结果全是左值版本的Func函数。
如果想让data继续保持原有的属性，解决方式如下

template<class T>
void PerfectForward(T&& data)
{
	Func(forward<T>(data));
}

在PerfectForward函数体内将data完美转发，保持其原有的属性
此时运行结果如下：

完美转发的实际应用场景

简易实现一个STL库中的list，提供push_back的右值引用版本

namespace ding
{
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		
		ListNode(const T& data = T()) 
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr) 
			,_data(data)
		{}
		ListNode<T>* _next;
		ListNode<T>* _prev;
		T _data;
	};
	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
	public:
		list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
		~list()
		{
			Node* cur = _head->_next;
			while (cur != _head)
			{
				Node* next = cur->_next;
				delete cur;
				cur = next;
			}
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
		//左值引用版本insert
		void Insert(Node* pos,const T& data)
		{
			cout << "void Insert(Node* pos,const T& data)" << endl;
			Node* newnode = new Node(data);
			Node* prev = pos->_prev;
			prev->_next = newnode;
			newnode->_next = pos;
			newnode->_prev = prev;
			pos->_prev = newnode;
		}
		//右值引用版本insert
		void Insert(Node* pos, const T&& data)
		{
			cout << "void Insert(Node* pos, const T&& data)" << endl;
			Node* newnode = new Node(data);
			Node* prev = pos->_prev;
			prev->_next = newnode;
			newnode->_next = pos;
			newnode->_prev = prev;
			pos->_prev = newnode;
		}
		//左值版尾插
		void Push_back(T& data)
		{
			Insert(_head,data);
		}
		//右值版尾插
		void Push_back(T&& data)
		{
			Insert(_head, forward<T>(data));
		}
	private:
		Node* _head;
	};
}

list简单实现了一个尾插功能，并且提供了左值版和右值版的尾插，尾插调用insert函数复用。

int main()
{
	ding::list<int> ls;
	int a = 0;
	//左值
	ls.Push_back(a);
	//右值
	ls.Push_back(1);
	ls.Push_back(2);
	ls.Push_back(3);
	ls.Push_back(4);
	return 0;
}

对于上面代码，除了第6行会调用左值版的push_back,其余的按理来说会调用右值版的push_back。然后右值版的push_back再调用右值版的insert。但是运行结果如下：

结果是右值版的也调用了左值版的insert。原因上面已经说过了。解决方式就是用完美转发。右值版的push_back修改如下：

void Push_back(T&& data)
{
    //Insert(_head, data);
    Insert(_head, forward<T>(data));
}

右值版的insert不用修改，如果修改完后，insert中的new就无法调用ListNode的构造函数了。