C++ 右值引用与move

C++ 右值引用与move

右值引用

C++中所有的值都必然属于左值、右值二者之一。左值是指表达式结束后依然存在的持久化对象，右值是指表达式结束时就不再存在的临时对象。

所有的具名变量或者对象都是左值，而右值不具名。很难得到左值和右值的真正定义，但是有一个可以区分左值和右值的便捷方法：看能不能对表达式取地址，如果能，则为左值，否则为右值。左值一般在内存中，右值一般在内存或CPU寄存器中。

 

左值引用和右值引用的定义：

T & ref = lvalue;
T && ref = rvalue;

看个例子：

int main(int argc, char** argv) {

    // 左值引用
    int i = ;
    int &l = i;
    //int &l = 10;  // Error
    cout << l << endl;

    // 右值引用
    int && r = ;
    //int && r = i;   // Error
    int *p = &r;
    cout << *p << endl;

    return ;
}

可见，右值引用关联到右值时，右值被存储到特定位置，右值引用指向该特定位置，也就是说，右值虽然无法获取地址，但是右值引用是可以获取地址的，该地址表示临时对象的存储位置。

既然右值引用可以获取地址，左值引用虽然不能绑定右值，但能绑定右值引用，例如：

int &&r = ;
int &l = r;
l = ;
cout << r << endl;  //

上面的例子中，左值引用只能绑定左值，右值引用只能绑定右值，如果绑定的不对，编译就会失败。但是，const左值引用却是个奇葩，它可以算是一个“万能”的引用类型，它可以绑定非常量左值、常量左值、右值，而且在绑定右值的时候，常量左值引用还可以像右值引用一样将右值的生命期延长，缺点是，只能读不能改。

int main(int argc, char** argv) {
    // const左值引用
    const int &r = ;
    //r = 11;   // Error
    const int* p = &r;
    cout << *p << endl;

    return ;
}

最后看一个例子：

class A {
    public:
        A(int x) :m(x) { cout<< "A(int) called" << endl; }
        A(const A& other) {m=other.m; cout << "A(const A&)" << endl;}
        ~A() { cout<< "~A() called" << endl; }
        int get() {return m;}
        void set(int x) {m = x;} 

    private:
        int m;
};

A getTemp(int x=) {
    return A(x);
}

void AcceptVal(A a) {
}

void AcceptRef(const A& a) {
}

int main(int argc, char** argv) {
    AcceptVal(getTemp());   // getTemp返回的是右值（临时变量）,应该调用两次拷贝构造函数
    AcceptRef(getTemp());   // const左值引用绑定右值, 应该只调用一次拷贝构造函数

    return ;
}

说明：

getTemp函数返回值会先创建一个临时变量，该临时变量是右值，getTemp返回值拷贝给该变量：

如果将该变量以值传递调用函数AcceptVal()，实参到形参又会发生一次对象拷贝；

如果将该变量以引用传递调用函数AcceptRef()，形参是const左值引用，可以绑定右值（实参），不需要任何拷贝。

PS，以上代码编译需要关闭编译器返回值优化选项，g++ test.cpp -std=c++11 -fno-elide-constructors，否则会发现没有任何拷贝构造函数的调用！

以上，总结一下，其中T是一个具体类型：

1. 左值引用， 使用 T&, 只能绑定左值；
2. 右值引用， 使用 T&&， 只能绑定右值；
3. 常量左值引用， 使用 const T&, 既可以绑定左值又可以绑定右值；
4. 已命名的右值引用，编译器会认为是个左值；
5. 编译器有返回值优化，但不要过于依赖；

---

move操作

move函数在<utility>头文件中。

先看一个例子：

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

class MyString
{
public:
    static size_t CCtor; //统计调用拷贝构造函数的次数
//    static size_t CCtor; //统计调用拷贝构造函数的次数
public:
    // 构造函数
   MyString(const char* cstr=){
       if (cstr) {
          m_data = new char[strlen(cstr)+];
          strcpy(m_data, cstr);
       }
       else {
          m_data = new char[];
          *m_data = '\0';
       }
   }

   // 拷贝构造函数
   MyString(const MyString& str) {
       CCtor ++;
       m_data = new char[ strlen(str.m_data) +  ];
       strcpy(m_data, str.m_data);
   }
   // 拷贝赋值函数 =号重载
   MyString& operator=(const MyString& str){
       if (this == &str) // 避免自我赋值!!
          return *this;

       delete[] m_data;
       m_data = new char[ strlen(str.m_data) +  ];
       strcpy(m_data, str.m_data);
       return *this;
   }

   ~MyString() {
       delete[] m_data;
   }

   char* get_c_str() const { return m_data; }
private:
   char* m_data;
};
size_t MyString::CCtor = ;

int main()
{
    vector<MyString> vecStr;
    vecStr.reserve(); //先分配好1000个空间，不这么做，调用的次数可能远大于1000
    for(int i=;i<;i++){
        vecStr.push_back(MyString("hello"));
    }
    cout << MyString::CCtor << endl;
}

发现执行了1000次拷贝构造函数，如果MyString("hello")构造出来的字符串本来就很长，构造一遍就很耗时了，最后却还要拷贝一遍，而MyString("hello")只是临时对象，拷贝完就没什么用了，这就造成了没有意义的资源申请和释放操作，如果能够直接使用临时对象已经申请的资源，既能节省资源，又能节省资源申请和释放的时间。而C++11新增加的移动语义就能够做到这一点。

 

改进版本：

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

class MyString
{
public:
    static size_t CCtor; //统计调用拷贝构造函数的次数
    static size_t MCtor; //统计调用移动构造函数的次数
    static size_t CAsgn; //统计调用拷贝赋值函数的次数
    static size_t MAsgn; //统计调用移动赋值函数的次数

public:
    // 构造函数
   MyString(const char* cstr=){
       if (cstr) {
          m_data = new char[strlen(cstr)+];
          strcpy(m_data, cstr);
       }
       else {
          m_data = new char[];
          *m_data = '\0';
       }
   }

   // 拷贝构造函数
   MyString(const MyString& str) {
       CCtor ++;
       m_data = new char[ strlen(str.m_data) +  ];
       strcpy(m_data, str.m_data);
   }
   // 移动构造函数
   MyString(MyString&& str) noexcept
       :m_data(str.m_data) {
       MCtor ++;
       str.m_data = nullptr; //不再指向之前的资源了
   }

   // 拷贝赋值函数 =号重载
   MyString& operator=(const MyString& str){
       CAsgn ++;
       if (this == &str) // 避免自我赋值!!
          return *this;

       delete[] m_data;
       m_data = new char[ strlen(str.m_data) +  ];
       strcpy(m_data, str.m_data);
       return *this;
   }

   // 移动赋值函数 =号重载
   MyString& operator=(MyString&& str) noexcept{
       MAsgn ++;
       if (this == &str) // 避免自我赋值!!
          return *this;

       delete[] m_data;
       m_data = str.m_data;
       str.m_data = nullptr; //不再指向之前的资源了
       return *this;
   }

   ~MyString() {
       delete[] m_data;
   }

   char* get_c_str() const { return m_data; }
private:
   char* m_data;
};
size_t MyString::CCtor = ;
size_t MyString::MCtor = ;
size_t MyString::CAsgn = ;
size_t MyString::MAsgn = ;
int main()
{
    vector<MyString> vecStr;
    vecStr.reserve(); //先分配好1000个空间
    for(int i=;i<;i++){
        vecStr.push_back(MyString("hello"));
    }
    cout << "CCtor = " << MyString::CCtor << endl;
    cout << "MCtor = " << MyString::MCtor << endl;
    cout << "CAsgn = " << MyString::CAsgn << endl;
    cout << "MAsgn = " << MyString::MAsgn << endl;
}

/* 结果
CCtor = 0
MCtor = 1000
CAsgn = 0
MAsgn = 0
*/

可以看到，移动构造函数与拷贝构造函数的区别是，拷贝构造的参数是const MyString& str，是常量左值引用，而移动构造的参数是MyString&& str，是右值引用，而MyString("hello")是个临时对象，是个右值，优先进入移动构造函数而不是拷贝构造函数。而移动构造函数与拷贝构造不同，它并不是重新分配一块新的空间，将要拷贝的对象复制过来，而是"偷"了过来，将自己的指针指向别人的资源，然后将别人的指针修改为nullptr，这一步很重要，如果不将别人的指针修改为空，那么临时对象析构的时候就会释放掉这个资源，"偷"也白偷了。下面这张图可以解释copy和move的区别。

上面是对一个右值，可以进入移动构造函数，如果对于一个左值，肯定是优先调用拷贝构造函数了，但是有些左值是局部变量，生命周期也很短，能不能也移动而不是拷贝呢？C++11为了解决这个问题，提供了std::move()方法来将左值转换为右值，从而方便应用移动语义。我觉得它其实就是告诉编译器，虽然我是一个左值，但是不要对我用拷贝构造函数，而是用移动构造函数吧。。。

int main()
{
    vector<MyString> vecStr;
    vecStr.reserve(); //先分配好1000个空间
    for(int i=;i<;i++){
        MyString tmp("hello");
        vecStr.push_back(tmp); //调用的是拷贝构造函数
    }
    cout << "CCtor = " << MyString::CCtor << endl;
    cout << "MCtor = " << MyString::MCtor << endl;
    cout << "CAsgn = " << MyString::CAsgn << endl;
    cout << "MAsgn = " << MyString::MAsgn << endl;

    cout << endl;
    MyString::CCtor = ;
    MyString::MCtor = ;
    MyString::CAsgn = ;
    MyString::MAsgn = ;
    vector<MyString> vecStr2;
    vecStr2.reserve(); //先分配好1000个空间
    for(int i=;i<;i++){
        MyString tmp("hello");
        vecStr2.push_back(std::move(tmp)); //调用的是移动构造函数
    }
    cout << "CCtor = " << MyString::CCtor << endl;
    cout << "MCtor = " << MyString::MCtor << endl;
    cout << "CAsgn = " << MyString::CAsgn << endl;
    cout << "MAsgn = " << MyString::MAsgn << endl;
}

/* 运行结果
CCtor = 1000
MCtor = 0
CAsgn = 0
MAsgn = 0

CCtor = 0
MCtor = 1000
CAsgn = 0
MAsgn = 0
*/

再看几个例子

MyString str1("hello"); //调用构造函数
MyString str2("world"); //调用构造函数
MyString str3(str1); //调用拷贝构造函数
MyString str4(std::move(str1)); // 调用移动构造函数、
//    cout << str1.get_c_str() << endl; // 此时str1的内部指针已经失效了！不要使用
//注意：虽然str1中的m_dat已经称为了空，但是str1这个对象还活着，知道出了它的作用域才会析构！而不是move完了立刻析构
MyString str5;
str5 = str2; //调用拷贝赋值函数
MyString str6;
str6 = std::move(str2); // str2的内容也失效了，不要再使用

需要注意一下几点：

1. str6 = std::move(str2)，虽然将str2的资源给了str6，但是str2并没有立刻析构，只有在str2离开了自己的作用域的时候才会析构，所以，如果继续使用str2的m_data变量，可能会发生意想不到的错误。
2. 如果我们没有提供移动构造函数，只提供了拷贝构造函数，std::move()会失效但是不会发生错误，因为编译器找不到移动构造函数就去寻找拷贝构造函数，也这是拷贝构造函数的参数是const T&常量左值引用的原因！
3. c++11中的所有容器都实现了move语义，move只是转移了资源的控制权，本质上是将左值强制转化为右值使用，以用于移动拷贝或赋值，避免对含有资源的对象发生无谓的拷贝。move对于拥有如内存、文件句柄等资源的成员的对象有效，如果是一些基本类型，如int和char[10]数组等，如果使用move，仍会发生拷贝（因为没有对应的移动构造函数），所以说move对含有资源的对象说更有意义。

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通用引用（universal references）

当右值引用和模板结合的时候，就复杂了。T&&并不一定表示右值引用，它可能是个左值引用又可能是个右值引用。例如：

template<typename T>
void f( T&& param){

}
f();  //10是右值
int x = ; //
f(x); //x是左值

如果上面的函数模板表示的是右值引用的话，肯定是不能传递左值的，但是事实却是可以。这里的&&是一个未定义的引用类型，称为universal references，它必须被初始化，它是左值引用还是右值引用却决于它的初始化，如果它被一个左值初始化，它就是一个左值引用；如果被一个右值初始化，它就是一个右值引用。

注意：只有当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），&&才是一个universal references。

template<typename T>
void f( T&& param); //这里T的类型需要推导，所以&&是一个 universal references

template<typename T>
class Test {
  Test(Test&& rhs); //Test是一个特定的类型，不需要类型推导，所以&&表示右值引用
};

void f(Test&& param); //右值引用

//复杂一点
template<typename T>
void f(std::vector<T>&& param); //在调用这个函数之前，这个vector<T>中的推断类型
//已经确定了，所以调用f函数的时候没有类型推断了，所以是 右值引用

template<typename T>
void f(const T&& param); //右值引用
// universal references仅仅发生在 T&& 下面，任何一点附加条件都会使之失效

所以最终还是要看T被推导成什么类型，如果T被推导成了string，那么T&&就是string&&，是个右值引用，如果T被推导为string&，就会发生类似string& &&的情况，对于这种情况，c++11增加了引用折叠的规则，总结如下：

1. 所有的右值引用叠加到右值引用上仍然使一个右值引用。
2. 所有的其他引用类型之间的叠加都将变成左值引用。

 

#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <string>
using namespace std;

template<typename T>
void f(T&& param){
    if (std::is_same<string, T>::value)
        std::cout << "string" << std::endl;
    else if (std::is_same<string&, T>::value)
        std::cout << "string&" << std::endl;
    else if (std::is_same<string&&, T>::value)
        std::cout << "string&&" << std::endl;
    else if (std::is_same<int, T>::value)
        std::cout << "int" << std::endl;
    else if (std::is_same<int&, T>::value)
        std::cout << "int&" << std::endl;
    else if (std::is_same<int&&, T>::value)
        std::cout << "int&&" << std::endl;
    else
        std::cout << "unkown" << std::endl;
}

int main()
{
    int x = ;
    f(); // 参数是右值 T推导成了int, 所以是int&& param, 右值引用
    f(x); // 参数是左值 T推导成了int&, 所以是int&&& param, 折叠成 int&,左值引用
    int && a = ;
    f(a); //虽然a是右值引用，但它还是一个左值， T推导成了int&
    string str = "hello";
    f(str); //参数是左值 T推导成了string&
    f(string("hello")); //参数是右值， T推导成了string
    f(std::move(str));//参数是右值， T推导成了string
}

所以，归纳一下， 传递左值进去，就是左值引用，传递右值进去，就是右值引用。如它的名字，这种类型确实很"通用"，下面要讲的完美转发，就利用了这个特性。

 

 

 

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完美转发

所谓转发，就是通过一个函数将参数继续转交给另一个函数进行处理，原参数可能是右值，可能是左值，如果还能继续保持参数的原有特征，那么它就是完美的。

void process(int& i){
    cout << "process(int&):" << i << endl;
}
void process(int&& i){
    cout << "process(int&&):" << i << endl;
}

void myforward(int&& i){
    cout << "myforward(int&&):" << i << endl;
    process(i);
}

int main()
{
    int a = ;
    process(a); //a被视为左值 process(int&):0
    process(); //1被视为右值 process(int&&):1
    process(move(a)); //强制将a由左值改为右值 process(int&&):0
    myforward();  //右值经过forward函数转交给process函数，却称为了一个左值，
    //原因是该右值有了名字  所以是 process(int&):2
    myforward(move(a));  // 同上，在转发的时候右值变成了左值  process(int&):0
    // forward(a) // 错误用法，右值引用不接受左值
}

上面的例子就是不完美转发，而c++中提供了一个std::forward()模板函数解决这个问题。将上面的myforward()函数简单改写一下：

void RunCode(int &&m) {
    cout << "rvalue ref" << endl;
}
void RunCode(int &m) {
    cout << "lvalue ref" << endl;
}
void RunCode(const int &&m) {
    cout << "const rvalue ref" << endl;
}
void RunCode(const int &m) {
    cout << "const lvalue ref" << endl;
}

// 这里利用了universal references，如果写T&,就不支持传入右值，而写T&&，既能支持左值，又能支持右值
template<typename T>
void perfectForward(T && t) {
    RunCode(forward<T> (t));
}

template<typename T>
void notPerfectForward(T && t) {
    RunCode(t);
}

int main()
{
    int a = ;
    int b = ;
    const int c = ;
    const int d = ;

    notPerfectForward(a); // lvalue ref
    notPerfectForward(move(b)); // lvalue ref
    notPerfectForward(c); // const lvalue ref
    notPerfectForward(move(d)); // const lvalue ref

    cout << endl;
    perfectForward(a); // lvalue ref
    perfectForward(move(b)); // rvalue ref
    perfectForward(c); // const lvalue ref
    perfectForward(move(d)); // const rvalue ref
}

上面的代码测试结果表明，在universal references和std::forward的合作下，能够完美的转发这4种类型。

 

 

 

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emplace*函数

我们之前使用vector一般都喜欢用push_back()，由上文可知容易发生无谓的拷贝，解决办法是为自己的类增加移动拷贝和赋值函数，但其实还有更简单的办法！就是使用emplace_back()替换push_back()，如下面的例子：

class A {
public:
    A(int i){
//        cout << "A()" << endl;
        str = to_string(i);
    }
    ~A(){}
    A(const A& other): str(other.str){
        cout << "A&" << endl;
    }

public:
    string str;
};

int main()
{
    vector<A> vec;
    vec.reserve();
    for(int i=;i<;i++){
        vec.push_back(A(i)); //调用了10次拷贝构造函数
//        vec.emplace_back(i);  //一次拷贝构造函数都没有调用过
    }
    for(int i=;i<;i++)
        cout << vec[i].str << endl;
}

emplace_back()可以直接通过构造函数的参数构造对象，但前提是要有对应的构造函数。

对于map和set，可以使用emplace()。基本上emplace_back()对应push_bakc(), emplce()对应insert()。

移动语义对swap()函数的影响也很大，之前实现swap可能需要三次内存拷贝，而有了移动语义后，就可以实现高性能的交换函数了。

template <typename T>
void swap(T& a, T& b)
{
    T tmp(std::move(a));
    a = std::move(b);
    b = std::move(tmp);
}

如果T是可移动的，那么整个操作会很高效，如果不可移动，那么就和普通的交换函数是一样的，不会发生什么错误，很安全。