C++ 教程 | C11 中的右值问题

发表于 2020/01/23 更新于 2024/10/18

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左值与右值

左值和右值，最早是从 C 语言继承而来的。在 C 语言或者继承版本的解释中。

左值是可以位于赋值运算符=左侧的表达式(当然，左值也可以位于=的右侧)
右值是不可以位于赋值运算符=左侧的表达式。

对于这个经典的解释，我们有如下示例

int foo(42);
int bar(43);

// foo, bar 都是左值
foo = bar;
bar = foo;
foo = foo * bar;

// foo * bar 是右值
int baz;
baz = foo * bar;  // OK: 右值在赋值运算符右侧
foo * bar = 42;   // Err: 右值在赋值运算符左侧

这个解释很经典，也容易懂。不过在 C++ 里面，左值和右值不能这样定义。根据《C++ Primer》的说法，左值和右值可以这样区分：

一个表达式是左值还是右值，取决于我们使用的是它的值还是它在内存中的位置（作为对象的身份）。也就是说一个表达式具体是左值还是右值，要根据实际在语句中的含义来确定。

int foo(42);
int bar;

// 将 foo 的值赋给 bar，保存在 bar 对应的内存中
// foo 在这里作为表达式是右值；bar 在这里作为表达式是左值
// 但是 foo 作为对象，既可以充当左值又可以充当右值
bar = foo;

因为 C++ 中的对象本身可以是一个表达式，所以这里有一个重要的原则，即

在大多数情况下，需要右值的地方可以用左值来替代
需要左值的地方，一定不能用右值来替代。

又有一个重要的特点，即

左值存放在对象中，有持久的状态;
右值要么是字面常量，要么是在表达式求值过程中创建的临时对象，没有持久的状态。

右值分为将亡值和纯右值

将亡值(xvalue. expiring value)，xvalue 是C++11新增的概念，与右值引用相关的表达式，如: 将要被移动的对象、T&&函数返回值、std::move返回值 和 转换为T&&的类型的转换函数的返回值等； 纯右值(pvalue, pure right value)，如： 非引用返回的临时变量、运算表达式产生的临时变量、原始字面量 和lambda表达式等属于pvalue；

int i=0;// i是左值， 0是右值

class A {
  public:
    int a;
};
A getTemp()
{
    return A();
}
A a = getTemp();   // a是左值  getTemp()的返回值是右值（临时变量）

左值引用、右值引用

c++98中的引用很常见了，就是给变量取了个别名，在c++11中，因为增加了 右值引用(rvalue reference) 的概念，所以c++98中的引用都称为了 左值引用(lvalue reference)。

int a = 10; 
int& refA = a; // refA是a的别名， 修改refA就是修改a, a是左值，左移是左值引用

int& b = 1; //编译错误! 1是右值，不能够使用左值引用

c++11中的右值引用使用的符号是&&，如

int&& a = 1; //实质上就是将不具名(匿名)变量取了个别名
int b = 1;
int && c = b; //编译错误！ 不能将一个左值复制给一个右值引用
class A {
  public:
    int a;
};
A getTemp()
{
    return A();
}
A && a = getTemp();   //getTemp()的返回值是右值（临时变量）

getTemp()返回的右值本来在表达式语句结束后，其生命也就该终结了（因为是临时变量），而通过右值引用，该右值又重获新生，其生命期将与右值引用类型变量a的生命期一样，只要a还活着，该右值临时变量将会一直存活下去, 延长临时变量的生命周期。

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，常量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。

const int & a = 1; //常量左值引用绑定 右值， 不会报错

class A {
  public:
    int a;
};
A getTemp()
{
    return A();
}
const A & a = getTemp();   //不会报错 而 A& a 会报错

事实上，很多情况下我们用来常量左值引用的这个功能却没有意识到，如下面的例子：

#include <iostream>
using namespace std;

class Copyable {
public:
    Copyable(){}
    Copyable(const Copyable &o) {
        cout << "Copied" << endl;
    }
};
Copyable ReturnRvalue() {
    return Copyable(); //返回一个临时对象
}
void AcceptVal(Copyable a) {

}
void AcceptRef(const Copyable& a) {

}

int main() {
    cout << "pass by value: " << endl;
    AcceptVal(ReturnRvalue()); // 调用两次拷贝构造函数
    cout << "pass by reference: " << endl;
    AcceptRef(ReturnRvalue()); //只调用一次拷贝构造函数
}

总结一下，其中T是一个具体类型：

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

移动构造和移动赋值

回顾一下如何用c++实现一个字符串类MyString，MyString内部管理一个C语言的char *数组，这个时候一般都需要实现拷贝构造函数和拷贝赋值函数，因为默认的拷贝是浅拷贝，而指针这种资源不能共享，不然一个析构了，另一个也就完蛋了。

#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=0){
       if (cstr) {
          m_data = new char[strlen(cstr)+1];
          strcpy(m_data, cstr);
       }
       else {
          m_data = new char[1];
          *m_data = '\0';
       }
   }

   // 拷贝构造函数
   MyString(const MyString& str) {
       CCtor ++;
       m_data = new char[ strlen(str.m_data) + 1 ];
       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) + 1 ];
       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 = 0;

int main()
{
    vector<MyString> vecStr;
    vecStr.reserve(1000); //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=0;i<1000;i++){
        vecStr.push_back(MyString("hello"));
    }
    cout << MyString::CCtor << endl;
}

代码看起来挺不错，却发现执行了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。

要实现移动语义就必须增加两个函数：移动构造函数和移动赋值构造函数。

#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=0){
       if (cstr) {
          m_data = new char[strlen(cstr)+1];
          strcpy(m_data, cstr);
       }
       else {
          m_data = new char[1];
          *m_data = '\0';
       }
   }

   // 拷贝构造函数
   MyString(const MyString& str) {
       CCtor ++;
       m_data = new char[ strlen(str.m_data) + 1 ];
       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) + 1 ];
       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 = 0;
size_t MyString::MCtor = 0;
size_t MyString::CAsgn = 0;
size_t MyString::MAsgn = 0;
int main()
{
    vector<MyString> vecStr;
    vecStr.reserve(1000); //先分配好1000个空间
    for(int i=0;i<1000;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。

不用奇怪为什么可以抢别人的资源，临时对象的资源不好好利用也是浪费，因为生命周期本来就是很短，在你执行完这个表达式之后，它就毁灭了，充分利用资源，才能很高效。

std::move()

将左值转变为右值。

对于一个左值，肯定是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(1000); //先分配好1000个空间
    for(int i=0;i<1000;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 = 0;
    MyString::MCtor = 0;
    MyString::CAsgn = 0;
    MyString::MAsgn = 0;
    vector<MyString> vecStr2;
    vecStr2.reserve(1000); //先分配好1000个空间
    for(int i=0;i<1000;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
*/

下面再举几个例子：

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：

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。
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！
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。

universal references(通用引用)

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);  //10是右值
int x = 10; //
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。

c++11增加了引用折叠的规则，总结如下：

所有的右值引用叠加到右值引用上仍然使一个右值引用。
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 = 1;
    f(1); // 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 = 2;
    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
}

完美转发 `std::forward()`

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 = 0;
    process(a); //a被视为左值 process(int&):0
    process(1); //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(2);  //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 myforward(int&& i){
    cout << "myforward(int&&):" << i << endl;
    process(std::forward<int>(i));
}

myforward(2); // process(int&&):2

上面修改过后还是不完美转发，myforward()函数能够将右值转发过去，但是并不能够转发左值，解决办法就是借助universal references通用引用类型和std::forward()模板函数共同实现完美转发。例子如下：

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

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 = 0;
    int b = 0;
    const int c = 0;
    const int d = 0;

    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。

emplace_back减少内存拷贝和移动

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：

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

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(10);
    for(int i=0;i<10;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=0;i<10;i++)
        cout << vec[i].str << endl;
}

可以看到效果是明显的，虽然没有测试时间，但是确实可以减少拷贝。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。

说明 :

使用 C11 或者 C14, 加 -fno-elide-constructors 编译选项。

问题思考:

为什么要使用左值引用?

我们都知道左值引用的使用是为了减少传参时的变量拷贝, 他是指针的另一种表示形式。引用的传递直接使用了变量自身，过程无需拷贝。

为什么要使用右值引用?

如果只是使用变量的值，我们推荐使用右值引用，来避免传参时的拷贝过程发生。 如果使用返回值的右值引用方式, 我们减少一次复制构造过程，并且延长了临时返回变量的生命周期。

本质上，如果普通的 A a = A(), 将产生一次默认构造过程 + 复制构造过程，但是如果使用 A&& a = A() 将只是发生了默认构造过程。

而且如果是使用临时变量如 func(A()) 的形式，配合右值引用参数，我们需要考虑移动构造来提高代码的执行效率，必要时候考虑std::move() 。

转载引用 :

[c++11]我理解的右值引用、移动语义和完美转发 - 个人文章 - SegmentFault 思否

谈谈 C++ 中的右值引用始终

Base

CPP

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