左值与右值,左值引用与右值引用(C++11)

这篇文章要介绍的内容和标题一致，关于C++ 11中的这几个特性网上介绍的文章很多，看了一些之后想把几个比较关键的点总结记录一下，文章比较长。给出了很多代码示例，都是编译运行测试过的，希望能用这些帮助理解C++ 11中这些比较重要的特性。

关于左值和右值的定义

左值和右值在C中就存在，不过存在感不高，在C++尤其是C++11中这两个概念比较重要，左值就是有名字的变量（对象），可以被赋值，可以在多条语句中使用，而右值呢，就是临时变量（对象），没有名字，只能在一条语句中出现，不能被赋值。

在 C++11 之前，右值是不能被引用的，最大限度就是用常量引用绑定一个右值，如 :

const int& i = 3;

在这种情况下，右值不能被修改的。但是实际上右值是可以被修改的，如 :

T().set().get();

T 是一个类，set 是一个函数为 T 中的一个变量赋值，get 用来取出这个变量的值。在这句中，T() 生成一个临时对象，就是右值，set() 修改了变量的值，也就修改了这个右值。
既然右值可以被修改，那么就可以实现右值引用。右值引用能够方便地解决实际工程中的问题，实现非常有吸引力的解决方案。

右值引用

左值的声明符号为”&”，为了和左值区分，右值的声明符号为”&&”。

给出一个实例程序如下

#include <iostream>
void process_value(int& i)
{
  std::cout << "LValue processed: " << i << std::endl;
} 
void process_value(int&& i)
{
  std::cout << "RValue processed: " << i << std::endl;
} 
int main()
{
  int a = 0;
  process_value(a);
  process_value(1);
}

结果如下

wxl@dev:~$ g++ -std=c++11  test.cpp
wxl@dev:~$ ./a.out
LValue processed: 0
RValue processed: 1

Process_value 函数被重载，分别接受左值和右值。由输出结果可以看出，临时对象是作为右值处理的。

下面涉及到一个问题：
x的类型是右值引用，指向一个右值，但x本身是左值还是右值呢？C++11对此做出了区分：

Things that are declared as rvalue reference can be lvalues or rvalues. The distinguishing criterion is: if it has a name, then it is an lvalue. Otherwise, it is an rvalue.

对上面的程序稍作修改就可以印证这个说法

#include <iostream>
void process_value(int& i)
{
  std::cout << "LValue processed: " << i << std::endl;
} 
void process_value(int&& i)
{
  std::cout << "RValue processed: "  << std::endl;
} 
int main()
{
  int a = 0;
  process_value(a);
  int&& x = 3;
  process_value(x);
}

wxl@dev:~$ g++ -std=c++11  test.cpp
wxl@dev:~$ ./a.out
LValue processed: 0
LValue processed: 3

x 是一个右值引用，指向一个右值3，但是由于x是有名字的，所以x在这里被视为一个左值，所以在函数重载的时候选择为第一个函数。

右值引用的意义

直观意义：为临时变量续命，也就是为右值续命，因为右值在表达式结束后就消亡了，如果想继续使用右值，那就会动用昂贵的拷贝构造函数。（关于这部分，推荐一本书《深入理解C++11》）
右值引用是用来支持转移语义的。转移语义可以将资源 ( 堆，系统对象等 ) 从一个对象转移到另一个对象，这样能够减少不必要的临时对象的创建、拷贝以及销毁，能够大幅度提高 C++ 应用程序的性能。临时对象的维护 ( 创建和销毁 ) 对性能有严重影响。
转移语义是和拷贝语义相对的，可以类比文件的剪切与拷贝，当我们将文件从一个目录拷贝到另一个目录时，速度比剪切慢很多。
通过转移语义，临时对象中的资源能够转移其它的对象里。
在现有的 C++ 机制中，我们可以定义拷贝构造函数和赋值函数。要实现转移语义，需要定义转移构造函数，还可以定义转移赋值操作符。对于右值的拷贝和赋值会调用转移构造函数和转移赋值操作符。如果转移构造函数和转移拷贝操作符没有定义，那么就遵循现有的机制，拷贝构造函数和赋值操作符会被调用。
普通的函数和操作符也可以利用右值引用操作符实现转移语义。

转移语义以及转移构造函数和转移复制运算符

以一个简单的 string 类为示例，实现拷贝构造函数和拷贝赋值操作符。

 class MyString {
 private:
  char* _data;
  size_t   _len;
  void _init_data(const char *s) {
    _data = new char[_len+1];
    memcpy(_data, s, _len);
    _data[_len] = '\0';
  }
 public:
  MyString() {
    _data = NULL;
    _len = 0;
  } 
  MyString(const char* p) {
    _len = strlen (p);
    _init_data(p);
  } 
  MyString(const MyString& str) {
    _len = str._len;
    _init_data(str._data);
    std::cout << "Copy Constructor is called! source: " << str._data << std::endl;
  } 
  MyString& operator=(const MyString& str) {
    if (this != &str) {
      _len = str._len;
      _init_data(str._data);
    }
    std::cout << "Copy Assignment is called! source: " << str._data << std::endl;
    return *this;
  } 
  virtual ~MyString() {
    if (_data) free(_data);
  }
 }; 
 int main() {
  MyString a;
  a = MyString("Hello");
  std::vector<MyString> vec;
  vec.push_back(MyString("World"));
 }

 Copy Assignment is called! source: Hello
 Copy Constructor is called! source: World

这个 string 类已经基本满足我们演示的需要。在 main 函数中，实现了调用拷贝构造函数的操作和拷贝赋值操作符的操作。MyString(“Hello”) 和 MyString(“World”) 都是临时对象，也就是右值。虽然它们是临时的，但程序仍然调用了拷贝构造和拷贝赋值，造成了没有意义的资源申请和释放的操作。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，有能节省资源申请和释放的时间。这正是定义转移语义的目的。

我们先定义转移构造函数。

  MyString(MyString&& str) {
    std::cout << "Move Constructor is called! source: " << str._data << std::endl;
    _len = str._len;
    _data = str._data;
    str._len = 0;
    str._data = NULL;
 }

有下面几点需要对照代码注意：
1. 参数（右值）的符号必须是右值引用符号，即“&&”。
2. 参数（右值）不可以是常量，因为我们需要修改右值。
3. 参数（右值）的资源链接和标记必须修改。否则，右值的析构函数就会释放资源。转移到新对象的资源也就无效了。

现在我们定义转移赋值操作符。

  MyString& operator=(MyString&& str) {
    std::cout << "Move Assignment is called! source: " << str._data << std::endl;
    if (this != &str) {
      _len = str._len;
      _data = str._data;
      str._len = 0;
      str._data = NULL;
    }
    return *this;
 }

这里需要注意的问题和转移构造函数是一样的。
增加了转移构造函数和转移复制操作符后，我们的程序运行结果为 :

由此看出，编译器区分了左值和右值，对右值调用了转移构造函数和转移赋值操作符。节省了资源，提高了程序运行的效率。
有了右值引用和转移语义，我们在设计和实现类时，对于需要动态申请大量资源的类，应该设计转移构造函数和转移赋值函数，以提高应用程序的效率。

关于std::move()和std::forward 再次推荐一本书：《effective modern C++》
英文版的，这里有篇关于其中item25的翻译不错

请看这里

但是这几点总结的不错

std::move执行一个无条件的转化到右值。它本身并不移动任何东西；
std::forward把其参数转换为右值，仅仅在那个参数被绑定到一个右值时；
std::move和std::forward在运行时（runtime）都不做任何事。