右值引用和移动语义

作用：C++11中引用了右值引用和移动语义，可以避免无谓的复制，提高了程序性能。

1. 什么是左值、右值

可以从2个角度判断：

• 左值可以取地址、位于等号左边；

• 而右值没法取地址，位于等号右边。

int a = 6;

• a可以通过 & 取地址，位于等号左边，所以a是左值。

• 6位于等号右边，6没法通过 & 取地址，所以6是个右值。

再举个复杂点的例子：

struct A { A(int a = 0) { a_ = a; } int a_; }; A a = A();

• 同样的，a可以通过 & 取地址，位于等号左边，所以a是左值。

• A()是个临时值，没法通过 & 取地址，位于等号右边，所以A()是个右值。

可见左右值的概念很清晰，有地址的变量就是左值，没有地址的字面值、临时值就是右值。

2.什么是左值引用、右值引用

引用本质是别名，可以通过引用修改变量的值，传参时传引用可以避免拷贝。

2.1 左值引用

左值引用：能指向左值，不能指向右值的就是左值引用：

int a = 5; int &ref_a = a; // 左值引用指向左值，编译通过 int &ref_a = 5; // 左值引用指向了右值，会编译失败

引用是变量的别名，由于右值没有地址，没法被修改，所以左值引用无法指向右值。

但是，const左值引用是可以指向右值的：

const int &ref_a = 5; // 编译通过

const左值引用不会修改指向值，因此可以指向右值，这也是为什么要使用const &作为函数参数的原 因之一，如std::vector的push_back：

void push_back (const value_type& val);

如果没有const，vec.push_back(5)这样的代码就无法编译通过。

2.2 右值引用

再看下右值引用，右值引用的标志是 && ，顾名思义，右值引用专门为右值而生，可以指向右值，不能指向左值：

int &&ref_a_right = 5; // ok int a = 5; int &&ref_a_left = a; // 编译不过，右值引用不可以指向左值 ref_a_right = 6; // 右值引用的用途：可以修改右值

2.3 对左右值引用本质的讨论

2.3.1 右值引用有办法指向左值吗？

有办法，使用 std::move ：

int a = 5; // a是个左值 int &ref_a_left = a; // 左值引用指向左值 int &&ref_a_right = std::move(a); // 通过std::move将左值转化为右值，可以被右值引用指向 cout << a; // 打印结果：5

在上边的代码里，看上去是左值a通过std::move移动到了右值ref_a_right中，那是不是a里边就没有值 了？并不是，打印出a的值仍然是5。

std::move是一个非常有迷惑性的函数：

• 不理解左右值概念的人们往往以为它能把一个变量里的内容移动到另一个变量；

• 但事实上std::move移动不了什么，唯一的功能是把左值强制转化为右值，让右值引用可以指向左 值。其实现等同于一个类型转换： static_cast(lvalue) 。 所以，单纯的std::move(xxx) 不会有性能提升。

同样的，右值引用能指向右值，本质上也是把右值提升为一个左值，并定义一个右值引用通过std::move 指向该左值：

int &&ref_a = 5; ref_a = 6; 等同于以下代码： int temp = 5; int &&ref_a = std::move(temp); ref_a = 6; // 此时temp等于6

2.3.2 左值引用、右值引用本身是左值还是右值？

被声明出来的左、右值引用都是左值。 因为被声明出的左右值引用是有地址的，也位于等号左边。仔细看下边代码

// 形参是个右值引用 void change(int&& right_value) { right_value = 8; } int main() { int a = 5; // a是个左值 int &ref_a_left = a; // ref_a_left是个左值引用 int &&ref_a_right = std::move(a); // ref_a_right是个右值引用 change(a); // 编译不过，a是左值，change参数要求右值 change(ref_a_left); // 编译不过，左值引用ref_a_left本身也是个左值 change(ref_a_right); // 编译不过，右值引用ref_a_right本身也是个左值 change(std::move(a)); // 编译通过 change(std::move(ref_a_right)); // 编译通过 change(std::move(ref_a_left)); // 编译通过 change(5); // 当然可以直接接右值，编译通过 cout << &a << ' '; cout << &ref_a_left << ' '; cout << &ref_a_right; // 打印这三个左值的地址，都是一样的 }

看完后可能有个问题，std::move会返回一个右值引用int &&，它是左值还是右值呢？ 从表达式int &&ref = std::move(a)来看，右值引用ref指向的必须是右值，所以move返回的int &&是个右值。 所以右值引用既可能是左值，又可能是右值吗？ 确实如此：右值引用既可以是左值也可以是右值，如果 有名称则为左值，否则是右值。

或者说：作为函数返回值的 && 是右值，直接声明出来的 && 是左值。 这同样也符合前面章节对左值， 右值的判定方式：其实引用和普通变量是一样的，int &&ref = std::move(a)和int a = 5没有什 么区别，等号左边就是左值，右边就是右值。

最后，从上述分析中我们得到如下结论：

1. 从性能上讲，左右值引用没有区别，传参使用左右值引用都可以避免拷贝。

2. 右值引用可以直接指向右值，也可以通过std::move指向左值；而左值引用只能指向左值(const左 值引用也能指向右值)。

3. 作为函数形参时，右值引用更灵活。虽然const左值引用也可以做到左右值都接受，但它无法修 改，有一定局限性。

void f(const int& n) { n += 1; // 编译失败，const左值引用不能修改指向变量 } void f2(int && n) { n += 1; // ok } int main() { f(5); f2(5); }

3 右值引用和std::move使用场景

std::move 只是类型转换工具，不会对性能有好处；

3.1 右值引用优化性能，避免深拷贝

浅拷贝重复释放 对于含有堆内存的类，我们需要提供深拷贝的拷贝构造函数，如果使用默认构造函数，会导致堆内存的 重复删除，比如下面的代码：

//2-3-1-memory #include<iostream> using namespace std; class A { public: A() :m_ptr(new int(0)) { cout << "constructor A" << endl; } ~A(){ cout << "destructor A, m_ptr:" << m_ptr << endl; delete m_ptr; m_ptr = nullptr; } private: int* m_ptr; }; // 为了避免返回值优化，此函数故意这样写 A Get(bool flag) { A a; A b; cout << "ready return" << endl; if (flag) return a; else return b; } int main() { { A a = Get(false); // 运行报错 } cout << "main finish" << endl; return 0; }

打印

constructor A

constructor A // 默认的拷贝构造函数没有打印

ready return

destructor A, m_ptr:0xf87af8

destructor A, m_ptr:0xf87ae8

destructor A, m_ptr:0xf87af8

main finish

深拷贝构造函数

在上面的代码中，默认构造函数是浅拷贝，main函数的 a 和Get函数的 b 会指向同一个指针 m_ptr，在 析构的时候会导致重复删除该指针。正确的做法是提供深拷贝的拷贝构造函数，比如下面的代码：

//2-3-1-memory2 #include <iostream> using namespace std; class A { public: A() :m_ptr(new int(0)) { cout << "constructor A" << endl; } A(const A& a) :m_ptr(new int(*a.m_ptr)) { cout << "copy constructor A" << endl; } ~A(){ cout << "destructor A, m_ptr:" << m_ptr << endl; delete m_ptr; m_ptr = nullptr; } private: int* m_ptr; }; // 为了避免返回值优化，此函数故意这样写 A Get(bool flag) { A a; A b; cout << "ready return" << endl; if (flag) return a; else return b; } int main() { { A a = Get(false); // 正确运行 } cout << "main finish" << endl; return 0; }

运行结果

constructor A

constructor A

ready return

copy constructor A

destructor A, m_ptr:0xea7af8

destructor A, m_ptr:0xea7ae8

destructor A, m_ptr:0xea7b08

main finish

移动构造函数

这样就可以保证拷贝构造时的安全性，但有时这种拷贝构造却是不必要的，比如上面代码中的拷贝构造 就是不必要的。上面代码中的 Get 函数会返回临时变量，然后通过这个临时变量拷贝构造了一个新的对 象 b，临时变量在拷贝构造完成之后就销毁了，如果堆内存很大，那么，这个拷贝构造的代价会很大， 带来了额外的性能损耗。有没有办法避免临时对象的拷贝构造呢？答案是肯定的。看下面的代码：

//2-3-1-memory3 #include <iostream> using namespace std; class A { public: A() :m_ptr(new int(0)) { cout << "constructor A" << endl; } A(const A& a) :m_ptr(new int(*a.m_ptr)) { cout << "copy constructor A" << endl; } // 移动构造函数，可以浅拷贝 A(A&& a) :m_ptr(a.m_ptr) { a.m_ptr = nullptr; // 为防止a析构时delete data，提前置空其m_ptr cout << "move constructor A" << endl; } ~A(){ cout << "destructor A, m_ptr:" << m_ptr << endl; if(m_ptr) delete m_ptr; } private: int* m_ptr; }; // 为了避免返回值优化，此函数故意这样写 A Get(bool flag) { A a; A b; cout << "ready return" << endl; if (flag) return a; else return b; } int main() { { A a = Get(false); // 正确运行 } cout << "main finish" << endl; return 0; }

运行结果

constructor A

constructor A

ready return

move constructor A d

estructor A, m_ptr:0

destructor A, m_ptr:0xfa7ae8

destructor A, m_ptr:0xfa7af8

main finish

上面的代码中没有了拷贝构造，取而代之的是移动构造（ Move Construct）。从移动构造函数的实现 中可以看到，它的参数是一个右值引用类型的参数 A&&，这里没有深拷贝，只有浅拷贝，这样就避免了 对临时对象的深拷贝，提高了性能。这里的 A&& 用来根据参数是左值还是右值来建立分支，如果是临时 值，则会选择移动构造函数。移动构造函数只是将临时对象的资源做了浅拷贝，不需要对其进行深拷 贝，从而避免了额外的拷贝，提高性能。这也就是所谓的移动语义（ move 语义），右值引用的一个重要目的是用来支持移动语义的。

移动语义可以将资源（堆、系统对象等）通过浅拷贝方式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，可以大幅度提高 C++ 应用程序的性能，消除临时对象的维护 （创建和销毁）对性能的影响。

3.2 移动(move )语义

move是将对象的状态或者所有权从一个对象转移到另一个对象，只是转义，没有内存拷贝。要move语义起作用，核心在于需要对应类型的构造函数支持。

//2-3-2-move #include <iostream> #include <vector> #include <cstdlio> #include <cstdlib> #include <string.h> using namespace std; class MyString { private: char* m_data; size_t m_len; void copy_data(const char *s) { m_data = new char[m_len+1]; memcpy(m_data, s, m_len); m_data[m_len] = '\0'; } public: MyString() { m_data = NULL; m_len = 0; } MyString(const char* p) { m_len = strlen (p); copy_data(p); } MyString(const MyString& str) { m_len = str.m_len; copy_data(str.m_data); std::cout << "Copy Constructor is called! source: " << str.m_data << std::endl; } MyString& operator=(const MyString& str) { if (this != &str) { m_len = str.m_len; copy_data(str.m_data); } std::cout << "Copy Assignment is called! source: " << str.m_data << std::endl; return *this; } // 用c++11的右值引用来定义这两个函数 MyString(MyString&& str) { std::cout << "Move Constructor is called! source: " << str.m_data << std::endl; m_len = str.m_len; m_data = str.m_data; //避免了不必要的拷贝 str.m_len = 0; str.m_data = NULL; } MyString& operator=(MyString&& str) { std::cout << "Move Assignment is called! source: " << str.m_data << std::endl; if (this != &str) { m_len = str.m_len; m_data = str.m_data; //避免了不必要的拷贝 str.m_len = 0; str.m_data = NULL; } return *this; } virtual ~MyString() { if (m_data) free(m_data); } }; int main() { MyString a; a = MyString("Hello"); // Move Assignment MyString b = a; // Copy Constructor MyString c = std::move(a); // Move Constructor is called! 将左值转为右值 std::vector vec; vec.push_back(MyString("World")); // Move Constructor is called! return 0; }

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，应该设计右值引 用的拷贝构造函数和赋值函数，以提高应用程序的效率。

3.3 forward 完美转发

forward 完美转发实现了参数在传递过程中保持其值属性的功能，即若是左值，则传递之后仍然是左 值，若是右值，则传递之后仍然是右值。

现存在一个函数

Template<class T> void func(T &&val);

根据前面所描述的，这种引用类型既可以对左值引用，亦可以对右值引用。

但要注意，引用以后，这个val值它本质上是一个左值！

看下面例子

int &&a = 10; int &&b = a; //错误

注意这里，a是一个右值引用，但其本身a也有内存名字，所以a本身是一个左值，再用右值引用引用a这 是不对的。

因此我们有了std::forward()完美转发，这种T &&val中的val是左值，但如果我们用std::forward (val)， 就会按照参数原来的类型转发；

int &&a = 10; int &&b = std::forward<int>(a);

这样是正确的！

通过范例2-3-2-forward1巩固下知识：

// 2-3-2-forward1 #include <iostream> using namespace std; template<class T> void Print(T &t) { cout << "L" << t << endl; } template<class T> void Print(T &&t) { cout << "R" << t << endl; } template<class T> void Print(T &&t) { Print(t); Print(std::move(t)); Print(std::forward<T>(t)); } int main() { cout << "-- func(1)" << endl; func(1); int x = 10; int y = 20; cout << "\n-- func(x)" << endl; func(x); // x本身是左值 cout << "\n-- func(std::forward<int>(y))" << endl; func(std::forward<int>(y)); ////T为int，以右值方式转发y cout << "\n-- func(std::forward<int&>(y))" << endl; func(std::forward<int&>(y)); cout << "\n-- func(std::forward<int&&>(y))" << endl; func(std::forward<int&&>(y)); return 0; }

运行结果：

-- func(1)

L1

R1

R1

-- func(x)

L10

R10

L10

-- func(std::forward(y))

L20

R20

R20

-- func(std::forward<int&>(y))

L20

R20

L20

解释：

func(1)：由于1是右值，所以未定的引用类型T&&v被一个右值初始化后变成了一个右值引用，但是在 func()函数体内部，调用PrintT(v) 时，v又变成了一个左值（因为在std::forward里它已经变成了一个具 名的变量，所以它是一个左值），因此，示例测试结果第一个PrintT被调用，打印出“L1"

调用PrintT（std::forward(v)）时，由于std::forward会按参数原来的类型转发，因此，它还是一个右值 （这里已经发生了类型推导，所以这里的T&&不是一个未定的引用类型，会调用void PrintT（T&&t）函 数打印 “R1”.调用PrintT(std::move(v))是将v变成一个右值（v本身也是右值），因此，它将输出”R1"

func(x)未定的引用类型T&&v被一个左值初始化后变成了一个左值引用，因此，在调用 PrintT(std::forward(v))时它会被转发到void PrintT（T&t）.

forward将左值转换为右值：

MyString str1 = "hello"; MyString str2(str1); MyString str3 = Fun(); MyString str4 = move(str2); MyString str5(forward(str3));

参考链接：0voice · GitHub