左值引用、右值引用、移動(dòng)語義、完美轉(zhuǎn)發(fā)，你知道的不知道的都在這里
眾所周知C++11新增了右值引用，談?dòng)抑狄梦覀円部梢詳U(kuò)展一些相關(guān)概念：
- 左值
- 右值
- 純右值
- 將亡值
- 左值引用
- 右值引用
- 移動(dòng)語義
- 完美轉(zhuǎn)發(fā)
- 返回值優(yōu)化
程序喵下面會(huì)一一介紹：
左值、右值
概念1：
左值：可以放到等號(hào)左邊的東西叫左值。
右值：不可以放到等號(hào)左邊的東西就叫右值。
概念2：
左值：可以取地址并且有名字的東西就是左值。
右值：不能取地址的沒有名字的東西就是右值。
舉例：
- int a = b + c;
a是左值，有變量名，可以取地址，也可以放到等號(hào)左邊, 表達(dá)式b+c的返回值是右值，沒有名字且不能取地址，&(b+c)不能通過編譯，而且也不能放到等號(hào)左邊。
- int a = 4; // a是左值，4作為普通字面量是右值
左值一般有：
- 函數(shù)名和變量名
- 返回左值引用的函數(shù)調(diào)用
- 前置自增自減表達(dá)式++i、--i
- 由賦值表達(dá)式或賦值運(yùn)算符連接的表達(dá)式(a=b, a += b等)
- 解引用表達(dá)式*p
- 字符串字面值"abcd"
純右值、將亡值
純右值和將亡值都屬于右值。
純右值
運(yùn)算表達(dá)式產(chǎn)生的臨時(shí)變量、不和對(duì)象關(guān)聯(lián)的原始字面量、非引用返回的臨時(shí)變量、lambda表達(dá)式等都是純右值。
舉例：
- 除字符串字面值外的字面值
- 返回非引用類型的函數(shù)調(diào)用
- 后置自增自減表達(dá)式i++、i--
- 算術(shù)表達(dá)式(a+b, a*b, a&&b, a==b等)
- 取地址表達(dá)式等(&a)
將亡值
將亡值是指C++11新增的和右值引用相關(guān)的表達(dá)式，通常指將要被移動(dòng)的對(duì)象、T&&函數(shù)的返回值、std::move函數(shù)的返回值、轉(zhuǎn)換為T&&類型轉(zhuǎn)換函數(shù)的返回值，將亡值可以理解為即將要銷毀的值，通過“盜取”其它變量?jī)?nèi)存空間方式獲取的值，在確保其它變量不再被使用或者即將被銷毀時(shí)，可以避免內(nèi)存空間的釋放和分配，延長(zhǎng)變量值的生命周期，常用來完成移動(dòng)構(gòu)造或者移動(dòng)賦值的特殊任務(wù)。
舉例：
- class A {
- xxx;
- };
- A a;
- auto c = std::move(a); // c是將亡值
- auto d = static_cast<A&&>(a); // d是將亡值
左值引用、右值引用
根據(jù)名字大概就可以猜到意思，左值引用就是對(duì)左值進(jìn)行引用的類型，右值引用就是對(duì)右值進(jìn)行引用的類型，他們都是引用，都是對(duì)象的一個(gè)別名，并不擁有所綁定對(duì)象的堆存，所以都必須立即初始化。
- type &name = exp; // 左值引用
- type &&name = exp; // 右值引用
左值引用
看代碼：
- int a = 5;
- int &b = a; // b是左值引用
- b = 4;
- int &c = 10; // error，10無法取地址，無法進(jìn)行引用
- const int &d = 10; // ok，因?yàn)槭浅Ｒ茫贸Ａ繑?shù)字，這個(gè)常量數(shù)字會(huì)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，可以取地址
可以得出結(jié)論：對(duì)于左值引用，等號(hào)右邊的值必須可以取地址，如果不能取地址，則會(huì)編譯失敗，或者可以使用const引用形式，但這樣就只能通過引用來讀取輸出，不能修改數(shù)組，因?yàn)槭浅Ａ恳谩?/p>
右值引用
如果使用右值引用，那表達(dá)式等號(hào)右邊的值需要時(shí)右值，可以使用std::move函數(shù)強(qiáng)制把左值轉(zhuǎn)換為右值。
- int a = 4;
- int &&b = a; // error, a是左值
- int &&c = std::move(a); // ok
移動(dòng)語義
談移動(dòng)語義前，我們首先需要了解深拷貝與淺拷貝的概念
深拷貝、淺拷貝
直接拿代碼舉例:
- class A {
- public:
- A(int size) : size_(size) {
- data_ = new int[size];
- }
- A(){}
- A(const A& a) {
- size_ = a.size_;
- data_ = a.data_;
- cout << "copy " << endl;
- }
- ~A() {
- delete[] data_;
- }
- int *data_;
- int size_;
- };
- int main() {
- A a(10);
- A b = a;
- cout << "b " << b.data_ << endl;
- cout << "a " << a.data_ << endl;
- return 0;
- }
上面代碼中，兩個(gè)輸出的是相同的地址，a和b的data_指針指向了同一塊內(nèi)存，這就是淺拷貝，只是數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單賦值，那再析構(gòu)時(shí)data_內(nèi)存會(huì)被釋放兩次，導(dǎo)致程序出問題，這里正常會(huì)出現(xiàn)double free導(dǎo)致程序崩潰的，但是不知道為什么我自己測(cè)試程序卻沒有崩潰，能力有限，沒搞明白，無論怎樣，這樣的程序肯定是有隱患的，如何消除這種隱患呢，可以使用如下深拷貝：
- class A {
- public:
- A(int size) : size_(size) {
- data_ = new int[size];
- }
- A(){}
- A(const A& a) {
- size_ = a.size_;
- data_ = new int[size_];
- cout << "copy " << endl;
- }
- ~A() {
- delete[] data_;
- }
- int *data_;
- int size_;
- };
- int main() {
- A a(10);
- A b = a;
- cout << "b " << b.data_ << endl;
- cout << "a " << a.data_ << endl;
- return 0;
- }
深拷貝就是再拷貝對(duì)象時(shí)，如果被拷貝對(duì)象內(nèi)部還有指針引用指向其它資源，自己需要重新開辟一塊新內(nèi)存存儲(chǔ)資源，而不是簡(jiǎn)單的賦值。
聊完了深拷貝淺拷貝，可以聊聊移動(dòng)語義啦：
移動(dòng)語義，在程序喵看來可以理解為轉(zhuǎn)移所有權(quán)，之前的拷貝是對(duì)于別人的資源，自己重新分配一塊內(nèi)存存儲(chǔ)復(fù)制過來的資源，而對(duì)于移動(dòng)語義，類似于轉(zhuǎn)讓或者資源竊取的意思，對(duì)于那塊資源，轉(zhuǎn)為自己所擁有，別人不再擁有也不會(huì)再使用，通過C++11新增的移動(dòng)語義可以省去很多拷貝負(fù)擔(dān)，怎么利用移動(dòng)語義呢，是通過移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)。
- class A {
- public:
- A(int size) : size_(size) {
- data_ = new int[size];
- }
- A(){}
- A(const A& a) {
- size_ = a.size_;
- data_ = new int[size_];
- cout << "copy " << endl;
- }
- A(A&& a) {
- this->data_ = a.data_;
- a.data_ = nullptr;
- cout << "move " << endl;
- }
- ~A() {
- if (data_ != nullptr) {
- delete[] data_;
- }
- }
- int *data_;
- int size_;
- };
- int main() {
- A a(10);
- A b = a;
- A c = std::move(a); // 調(diào)用移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)
- return 0;
- }
如果不使用std::move()，會(huì)有很大的拷貝代價(jià)，使用移動(dòng)語義可以避免很多無用的拷貝，提供程序性能，C++所有的STL都實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)語義，方便我們使用。例如：
- std::vector<string> vecs;
- ...
- std::vector<string> vecm = std::move(vecs); // 免去很多拷貝
注意：移動(dòng)語義僅針對(duì)于那些實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)的類的對(duì)象，對(duì)于那種基本類型int、float等沒有任何優(yōu)化作用，還是會(huì)拷貝，因?yàn)樗鼈儗?shí)現(xiàn)沒有對(duì)應(yīng)的移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)。
完美轉(zhuǎn)發(fā)
完美轉(zhuǎn)發(fā)指可以寫一個(gè)接受任意實(shí)參的函數(shù)模板，并轉(zhuǎn)發(fā)到其它函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)會(huì)收到與轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)完全相同的實(shí)參，轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)實(shí)參是左值那目標(biāo)函數(shù)實(shí)參也是左值，轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)實(shí)參是右值那目標(biāo)函數(shù)實(shí)參也是右值。那如何實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)呢，答案是使用std::forward()。
- void PrintV(int &t) {
- cout << "lvalue" << endl;
- }
- void PrintV(int &&t) {
- cout << "rvalue" << endl;
- }
- template<typename T>
- void Test(T &&t) {
- PrintV(t);
- PrintV(std::forward<T>(t));
- PrintV(std::move(t));
- }
- int main() {
- Test(1); // lvalue rvalue rvalue
- int a = 1;
- Test(a); // lvalue lvalue rvalue
- Test(std::forward<int>(a)); // lvalue rvalue rvalue
- Test(std::forward<int&>(a)); // lvalue lvalue rvalue
- Test(std::forward<int&&>(a)); // lvalue rvalue rvalue
- return 0;
- }
分析
- Test(1)：1是右值，模板中T &&t這種為萬能引用，右值1傳到Test函數(shù)中變成了右值引用，但是調(diào)用PrintV()時(shí)候，t變成了左值，因?yàn)樗兂闪艘粋€(gè)擁有名字的變量，所以打印lvalue，而PrintV(std::forward<T>(t))時(shí)候，會(huì)進(jìn)行完美轉(zhuǎn)發(fā)，按照原來的類型轉(zhuǎn)發(fā)，所以打印rvalue，PrintV(std::move(t))毫無疑問會(huì)打印rvalue。
- Test(a)：a是左值，模板中T &&這種為萬能引用，左值a傳到Test函數(shù)中變成了左值引用，所以有代碼中打印。
- Test(std::forward<T>(a))：轉(zhuǎn)發(fā)為左值還是右值，依賴于T，T是左值那就轉(zhuǎn)發(fā)為左值，T是右值那就轉(zhuǎn)發(fā)為右值。
返回值優(yōu)化
返回值優(yōu)化(RVO)是一種C++編譯優(yōu)化技術(shù)，當(dāng)函數(shù)需要返回一個(gè)對(duì)象實(shí)例時(shí)候，就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)對(duì)象并通過復(fù)制構(gòu)造函數(shù)將目標(biāo)對(duì)象復(fù)制到臨時(shí)對(duì)象，這里有復(fù)制構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)會(huì)被多余的調(diào)用到，有代價(jià)，而通過返回值優(yōu)化，C++標(biāo)準(zhǔn)允許省略調(diào)用這些復(fù)制構(gòu)造函數(shù)。
那什么時(shí)候編譯器會(huì)進(jìn)行返回值優(yōu)化呢?
- return的值類型與函數(shù)的返回值類型相同
- return的是一個(gè)局部對(duì)象
看幾個(gè)例子:
示例1：
- std::vector<int> return_vector(void) {
- std::vector<int> tmp {1,2,3,4,5};
- return tmp;
- }
- std::vector<int> &&rval_ref = return_vector();
不會(huì)觸發(fā)RVO，拷貝構(gòu)造了一個(gè)臨時(shí)的對(duì)象，臨時(shí)對(duì)象的生命周期和rval_ref綁定，等價(jià)于下面這段代碼：
- const std::vector<int>& rval_ref = return_vector();
示例2：
- std::vector<int>&& return_vector(void) {
- std::vector<int> tmp {1,2,3,4,5};
- return std::move(tmp);
- }
- std::vector<int> &&rval_ref = return_vector();
這段代碼會(huì)造成運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，因?yàn)閞val_ref引用了被析構(gòu)的tmp。講道理來說這段代碼是錯(cuò)的，但我自己運(yùn)行過程中卻成功了，我沒有那么幸運(yùn)，這里不糾結(jié)，繼續(xù)向下看什么時(shí)候會(huì)觸發(fā)RVO。
示例3：
- std::vector<int> return_vector(void) {
- std::vector<int> tmp {1,2,3,4,5};
- return std::move(tmp);
- }
- std::vector<int> &&rval_ref = return_vector();
和示例1類似，std::move一個(gè)臨時(shí)對(duì)象是沒有必要的，也會(huì)忽略掉返回值優(yōu)化。
最好的代碼：
- std::vector<int> return_vector(void) {
- std::vector<int> tmp {1,2,3,4,5};
- return tmp;
- }
- std::vector<int> rval_ref = return_vector();
這段代碼會(huì)觸發(fā)RVO，不拷貝也不移動(dòng)，不生成臨時(shí)對(duì)象。
