C++语法——右值引用、移动构造和赋值、万能引用和转发、move和forward底层实现

目录

一.右值引用

（一）.何为右值

（二）.右值引用

（三）.右值和左值的互相传递

①左值->右值引用

②右值->左值引用

（四）.右值引用的自身属性

二.移动构造和移动赋值

 （一）.移动构造

 （二）.移动赋值

三.转发

（一）.万能引用

（二）.完美转发

四.move和forward底层实现方式

（一）.move底层实现

（二）.forward底层实现

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一.右值引用

（一）.何为右值

不能取地址的就是右值。例如：字面常量、临时变量。

//1就是右值
int i = 1;
//max返回值是临时变量，也就是右值
int n = max(1, 2);

（二）.右值引用

左值引用是对左值的引用，顾名思义，右值引用就是对右值的引用。

右值引用符号为&&，使用方式与左值引用相同，但符号和引用对象属性不同。

（三）.右值和左值的互相传递

左值和右值无法直接传递。

int main() 
{
	int a = 1;
	int& b = a;//正确，左值引用
 
	int&& c = b;//错误。右值引用不能传左值
 
	int& d = 1;//错误。左值引用不能传右值
	return 0;
}

①左值->右值引用

该函数参数为左值，返回值为右值。

作用是将左值参数强制转化成右值引用。 

int a = 1;
int&& c = move(a);//将a强转成右值

②右值->左值引用

左值引用加上const修饰符即可。

const int& d = 1;

（四）.右值引用的自身属性

右值引用本身是左值属性。

因此，如果给左值引用传递右值引用是可以的。

int&& a = 1;//a为右值引用，但自身属性是左值
int& b = a;//正确，给左值引用传递左值

这该怎么理解呢？

《C++ Primer》对此给出了相关解释，大意如下：

左值是“持久”的，右值是“短暂”的。即左值只要不出作用域就可以一直存在，但右值只能在使用时的瞬间“存活”（参考函数返回值）。

因此，当进行右值引用后，引用本身可以一直在作用域中存在，那么它就是左值。

当然，可以使用另一种方式证明：取地址。

左值可以取地址，右值不可以取地址。

int main() 
{
	int a = 1;//a可以取地址，是左值
	int&& b = 3;
	cout << "a地址： " << &a << endl;
	cout << "b地址： " << &b << endl;
	return 0;
}

 不妨总结一下：

二.移动构造和移动赋值

C++11引入右值引用后，很大的作用便是移动构造与赋值。

比如官方STL库中就提供了相关函数：

 （一）.移动构造

移动构造的目的在于减少因为参数是左值时引发的重复拷贝的问题。 

以string为例进行说明：

截取如下代码：

class String {
 
	...
 
	explicit String(const char* a = "")//默认构造
	{
		_size = strlen(a);
		_capacity = _size;
		_a = new char[_capacity + 1];
		strcpy(_a, a);
		cout << "构造函数\n";
	}
 
	String(const String& st)//拷贝构造
		:_a(nullptr)
	{
		String tmp(st.c_str());//调用构造函数
		swap(tmp);
		cout << "拷贝构造\n";
	}
 
    ...
 
	
};
String To_string(int value)//将int转为string
{
    ...
    String str;
    ...
    return str;
}

int main()
{
	String str = To_string(20);
	return 0;
}

当我们执行这个程序时，会调用2个默认构造和1个拷贝构造：

分别是to_string内部生成str时调用默认构造、返回临时变量时调用string拷贝构造，但是string拷贝构造内部又会先调用默认构造。

其实这还是优化后，如果没有编译器优化，main函数中str也会再调一次string拷贝构造。

 而这一切的“罪魁祸首”是什么呢？——to_string的返回值。

是的，因为to_string内部会生成一个string对象，而该对象是局部变量，出了函数作用域就销毁，因此只能调用拷贝构造to_string内部的对象。

这还只是string类型拷贝构造，如果是更加复杂的类型，拷贝构造往往会造成更多资源的占用。

正因如此，移动构造派上了用场：

String(String&& st)//移动构造函数，但是参数为右值
	:_a(nullptr)
{
	swap(st);
	cout << "string移动构造\n";
}

移动构造的参数为右值，所以当to_string返回str时，会被移动构造接收。

虽然str本身为左值属性，但是因为此时str是“将亡值”，即出了函数作用域就会被销毁，编译器会将这种“即将死亡”的值识别为右值。

在移动构造内部，会将右值的数据与自身数据进行交换。因为右值作为“暂时存在的数据”，把数据交给目标对象，目标对象把“舍弃”的数据交给右值，正好可以“延续”目标数据且消除原本数据。

这时，接收to_string返回值时只需要一个一个移动构造即可： 

 （二）.移动赋值

移动赋值的目的与移动构造类似，在于减少因为赋值造成重复拷贝的问题。

以string为例，其中赋值重载通过调用了拷贝构造函数实现。

class String {
 
	...
 
	String& operator=(const String& st)//赋值重载1
	{
		String tmp(st);//调用拷贝构造
		swap(tmp);
		cout << "string赋值\n";
		return *this;
	}
	String& operator=(const char* str)//赋值重载2
	{
		String tmp(str);
		swap(tmp);
		cout << "char*赋值\n";
		return *this;
	}
 
    ...
 
	
};

int main()
{
	String str;
	cout << "--------------------------------\n";
	str = To_string(1);
	return 0;
}

 当执行这个程序时，会有多个构造、拷贝构造被调用：

 而这其中，属于因为赋值重载而调用的就有三个。

 因为赋值重载的参数是左值引用，不能像右值引用那样交换数据，只能调用拷贝构造获取数据。

由此，移动赋值应运而生：

与移动构造相同，移动赋值也是直接与右值交换数据。 

String& operator=(String&& st)
{
	swap(st);
	cout << "string移动赋值\n";
	return *this;
}

 此时，只需要将to_string的返回值作为右值传给移动赋值即可。

三.转发

（一）.万能引用

首先，万能引用只存在与模板编程中。

万能引用就是引用形参既可接收左值也可接收右值，其符号与右值引用相同，但必须是模板。

即当模板的参数是右值引用的形式，如果实参是左值就是左值引用，右值就是右值引用。

 例如下列代码：

void Print(int& a)
{
	cout << "左值" << endl;
}
 
void Print(int&& a)
{
	cout << "右值" << endl;
}
 
template<class T>
void func(T&& t)//万能引用
{
	Print(t);
}
 
int main()
{
	int a = 0;
	func(a);//传左值
	func(1);//传右值
	return 0;
}

（二）.完美转发

上述代码有一个问题，尽管func(1)传入的是右值，但是因为右值引用本身是左值，当调用Print函数时，会调用左值版本，这不符合我们的预期，因为明明传入的是右值：

 这时，就需要使用完美转发forward，它会保持传入实参的属性不变:

void func(T&& t)
{
	Print(std::forward(t));
}

四.move和forward底层实现方式

（一）.move底层实现

首先看一下move函数底层代码：

template <typename T>
typename remove_reference::type&& move(T&& t)
{
    return static_case<typename remove_reference::type&&>(t);
}

其中参数T&&是万能引用，可接收左值或右值。

返回值很特殊，typename remove_reference::type的含义就是去掉T的引用类型。

remove_reference本身是模板类，它的作用就是返回一个类型，所以这个类里面只有成员类型。

通过remove_reference源码可以看到，不管传入的是左值引用还是右值引用，它都只会返回这个值去掉引用后的类型。

我们以int为例，不管传入int&还是int&&，经过remove_reference后，返回的都是int。

template <typename T>
struct remove_reference{
    typedef T type;  //成员类型
};
 
template <typename T>
struct remove_reference //左值引用
{
    typedef T type;//返回T本身的类型
}
 
template <typename T>
struct remove_reference //右值引用
{
   typedef T type;//返回T本身的类型
}

static_case作用是强制类型转换，可以将左值强转成右值，move中是强转成右值引用。

因此，move底层代码可以翻译成如下形式：

template <typename T>
int&& move(T&& t)
{
    return (int&&)(t);
}

于是，我们清楚的发现：move函数就是通过remove_reference获取引用对象本身的类型，强转成右值引用的方式实现的。

（二）.forward底层实现

这是forward底层代码：

template <typename T>
T&& forward(typename std::remove_reference::type& param)//左值引用
{
    return static_cast(param);//万能引用
}
 
template <typename T>
T&& forward(typename std::remove_reference::type&& param)//右值引用
{
    return static_cast(param);//万能引用
}

 有了move的基础，forward就不难理解了。

它通过remove_reference来区分传入的参数是左值引用还是右值引用，然后调用具体的重载forward函数。

再通过万能引用的形式，根据param的具体类型返回左值引用还是右值引用。

源码可以翻译成如下形式（int为例）：

template <typename T>
T&& forward(int& param)//左值引用
{
    return (T&&)(param);//万能引用
}
 
template <typename T>
T&& forward(int&& param)//右值引用
{
    return (T&&)(param);//万能引用
}

参考文章：

聊聊C++中的完美转发 - 知乎 (zhihu.com)

C++高阶知识：深入分析移动构造函数及其原理 | 音视跳动科技 (avdancedu.com)

参考书籍：

《C++ Primer》 

程序是我的生命，但我相信爱她甚过爱我的生命。——未名

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如有错误，敬请斧正