三、右值引用和移动语句
C++98的C++语法中就有引用的语法，而C++11中新增了的右值引用语法特性，C++11之后我们之前学习的引用就叫做左值引用。无论左值引⽤还是右值引⽤，都是给对象取别名。
3.1 左值和右值
左值是⼀个表示数据的表达式(如变量名或解引用的指针)，⼀般是有持久状态，存储在内存中，我们可以获取它的地址，左值可以出现赋值符号的左边，也可以出现在赋值符号右边。定义时const修饰符后的左值，不能给他赋值，但是可以取它的地址。
右值也是⼀个表示数据的表达式，要么是字面值常量、要么是表达式求值过程中创建的临时对象等，右值可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现出现在赋值符号的左边，右值不能取地址。
左值的英文简写为lvalue，右值的英文简写为rvalue。传统认为它们分别是left value、right value 的缩写。现代C++中，lvalue 被解释为loactor value的缩写，可意为存储在内存中、有明确存储地址可以取地址的对象，⽽ rvalue 被解释为 read value，指的是那些可以提供数据值，但是不可以寻址，例如：临时变量，字⾯量常量，存储于寄存器中的变量等，也就是说左值和右值的核心区别就是能否取地址。
// 左值：可以取地址
// 以下的p、b、c、*p、s、s[0]就是常⻅的左值
int* p = new int(0);
int b = 1;
const int c = b;
*p = 10;
string s("111111");
s[0] = 'x';
double x = 1.1, y = 2.2;
// 右值：不能取地址
// 以下⼏个10、x + y、fmin(x, y)、string("11111")都是常⻅的右值
10;
x + y;
fmin(x, y);
string("11111");
3.2 左值引用和右值引用
- Type& r1 = x; Type&& rr1 = y; 第⼀个语句就是左值引用，左值引用就是给左值取别名，第⼆个就是右值引⽤，同样的道理，右值引⽤就是给右值取别名。
- 左值引用不能直接引用右值，但是const左值引用可以引用右值。
- 右值引用不能直接引用左值，但是右值引用可以引用move左值。
- 需要注意的是变量表达式都是左值属性，也就意味着⼀个右值被右值引用绑定后，右值用变量变量表达式的属性是左值。
template <class _Ty>
remove_reference_t<_Ty>&& move(_Ty&& _Arg)
{ // forward _Arg as movable
return static_cast<remove_reference_t<_Ty>&&>(_Arg);
}
//左值
int* p = new int(0);
int b = 1;
const int c = b;
*p = 10;
string s("111111");
s[0] = 'x';
double x = 1.1, y = 2.2;
//左值引用给左值起别名
int*& r1 = p;
int& r2 = b;
int& r3 = *p;
string& r4 = s;
char& r5 = s[0];
double& r6 = x;
double& r7 = y;
//右值
10;
x + y;
fmin(x, y);
string("11111");
//右值引用给右值起别名
int&& rr1 = 10;
double&& rr2 = x + y;
double&& rr3 = fmin(x, y);
string&& rr4 = string("11111");
//左值引用不能直接引用右值，但是const左值引用可以引用右值。
const int&& rx1=10;
const double&& rx2=x + y;
const double&& rx3=fmin(x, y);
const string&& rx4=string("11111");
//右值引用不能直接引用左值，但是右值引用可以引用move左值。
int*&& rrx1 = move (p);
int&& rrx2 = move(b);
int&& rrx3 = move(*p);
string&& rrx4 = move(s);
string&& rrx5 = (string&&)s;
3.3 引用延长生命周期
右值引用可用于为临时对象延长声明周期，const 的左值引用也能延长临时对象生存期，但这些对象无法被修改。
int main()
{
std::string s1 = "Test";
// std::string&& r1 = s1; // 错误：不能绑定到左值
const std::string& r2 = s1 + s1; // OK：到 const 的左值引⽤延⻓⽣存期
// r2 += "Test"; // 错误：不能通过到 const 的引⽤修改
std::string&& r3 = s1 + s1; // OK：右值引⽤延⻓⽣存期
r3 += "Test"; // OK：能通过到⾮ const 的引⽤修改
std::cout << r3 << '\n';
return 0;3.4 左值和右值的参数匹配
C++98中，我们实现⼀个const左值引用作为参数的函数，那么实参传递左值和右值都可以匹配。
C++11以后，分别重载左值引用、const左值引用、右值引用作为形参的f函数，那么实参是左值会匹配f(左值引用)，实参是const左值会匹配f(const 左值引用)，实参是右值会匹配f(右值引用)。
右值引用变量在用于表达式时属性是左值。
void f(int& x)
{
cout << "左值引用重载" << endl;
}
void f(const int& x)
{
cout << "const左值引用重载" << endl;
}
void f(int&& x)
{
cout << "右值引用重载" << endl;
}
int main()
{
int a = 1;
const int b = 2;
f(a);
f(b);
f(a + b); //如果没有int&& x,重载就会调用const int&
f(move(a));
//右值引用变量在用于表达式时是左值
int&& c = 1;
f(c);
f(move(c));
return 0;
}
如果没有int&& x,重载就会调用const int&
3.5 右值引用和移动语义的使用场景
3.5.1 左值引用的主要使用场景
左值引用主要使用场景是在函数中左值引用传参和左值引用传返回值时减少拷贝，同时还可以修改实参和修改返回对象的价值。左值引⽤已经解决⼤多数场景的拷贝效率问题，但是有些场景不能使用传左值引用返回，如addStrings和generate函数，C++98中的解决方案只能是被迫使用输出型参数解决。那么C++11以后这里可以使用右值引用做返回值解决吗？显然是不可能的，因为这里的本质是返回对象是⼀个局部对象，函数结束这个对象就析构销毁了，右值引用返回也无法概念对象已经析构销毁的事实。
class Solution {
public:
// 传值返回需要拷⻉
string addStrings(string num1, string num2) {
string str;
int end1 = num1.size()-1, end2 = num2.size()-1;
// 进位
int next = 0;
while(end1 >= 0 || end2 >= 0)
{
int val1 = end1 >= 0 ? num1[end1--]-'0' : 0;
int val2 = end2 >= 0 ? num2[end2--]-'0' : 0;
int ret = val1 + val2+next;
next = ret / 10;
ret = ret % 10;
str += ('0'+ret);
}
if(next == 1)
str += '1';
reverse(str.begin(), str.end());
return str;
}
}
class Solution {
public:
// 这⾥的传值返回拷⻉代价就太⼤了
vector<vector<int>> generate(int numRows) {
vector<vector<int>> vv(numRows);
for(int i = 0; i < numRows; ++i)
{
vv[i].resize(i+1, 1);
}
for(int i = 2; i < numRows; ++i)
{
for(int j = 1; j < i; ++j)
{
vv[i][j] = vv[i-1][j] + vv[i-1][j-1];
}
}
return vv;
}
};3.5.2 移动构造和移动赋值
- 移动构造函数是一种构造函数，类似于拷贝构造函数，移动构造函数要求第一个参数是该类类型的引用，但是不同的是要求这个参数是右值引用，如果还有其他参数，额外的参数就必须有缺省值。
- 移动赋值是⼀个赋值运算符的重载，他跟拷贝赋值构成函数重载，类似拷贝赋值函数，移动赋值函数要求第⼀个参数是该类类型的引用，但是不同的是要求这个参数是右值引用。
- 对于像string/vector这样的深拷贝的类或者包含深拷贝的成员变量的类，移动构造和移动赋值才有意义，因为移动构造和移动赋值的第⼀个参数都是右值引用的类型，他的本质是要“窃取”引用的右值对象的资源，而不是像拷贝构造和拷贝赋值那样去拷贝资源，从提高效率。下面的bit::string样例实现了移动构造和移动赋值，我们需要结合场景理解。
class Solution {
public:
// 传值返回需要拷⻉
string addStrings(string num1, string num2) {
string str;
int end1 = num1.size()-1, end2 = num2.size()-1;
// 进位
int next = 0;
while(end1 >= 0 || end2 >= 0)
{
int val1 = end1 >= 0 ? num1[end1--]-'0' : 0;
int val2 = end2 >= 0 ? num2[end2--]-'0' : 0;
int ret = val1 + val2+next;
next = ret / 10;
ret = ret % 10;
str += ('0'+ret);
}
if(next == 1)
str += '1';
reverse(str.begin(), str.end());
return str;
}
}class Solution {
public:
// 这⾥的传值返回拷⻉代价就太⼤了
vector<vector<int>> generate(int numRows) {
vector<vector<int>> vv(numRows);
for(int i = 0; i < numRows; ++i)
{
vv[i].resize(i+1, 1);
}
for(int i = 2; i < numRows; ++i)
{
for(int j = 1; j < i; ++j)
{
vv[i][j] = vv[i-1][j] + vv[i-1][j-1];
}
}
return vv;
}
};3.5.2 移动构造和移动赋值
- 移动构造函数是一种构造函数，类似于拷贝构造函数，移动构造函数要求第一个参数是该类类型的引用，但是不同的是要求这个参数是右值引用，如果还有其他参数，额外的参数就必须有缺省值。
- 移动赋值是⼀个赋值运算符的重载，他跟拷贝赋值构成函数重载，类似拷贝赋值函数，移动赋值函数要求第⼀个参数是该类类型的引用，但是不同的是要求这个参数是右值引用。
- 对于像string/vector这样的深拷贝的类或者包含深拷贝的成员变量的类，移动构造和移动赋值才有意义，因为移动构造和移动赋值的第⼀个参数都是右值引用的类型，他的本质是要“窃取”引用的右值对象的资源，而不是像拷贝构造和拷贝赋值那样去拷贝资源，从提高效率。下面的bit::string样例实现了移动构造和移动赋值，我们需要结合场景理解。
#include<iostream>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<algorithm>
using namespace std;
namespace bit
{
class string
{
public:
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
const_iterator begin() const
{
return _str;
}
const_iterator end() const
{
return _str + _size;
}
string(const char* str = "")
:_size(strlen(str))
, _capacity(_size)
{
cout << "string(char* str)-构造" << endl;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
void swap(string& s)
{
::swap(_str, s._str);
::swap(_size, s._size);
::swap(_capacity, s._capacity);
}
string(const string& s)
:_str(nullptr)
{
cout << "string(const string& s) -- 拷⻉构造" << endl;
reserve(s._capacity);
for (auto ch : s)
{
push_back(ch);
}
}
// 移动构造
string(string&& s)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;
swap(s);
}
string& operator=(const string& s)
{
cout << "string& operator=(const string& s) -- 拷⻉赋值" <<
endl;
if (this != &s)
{
_str[0] = '\0';
_size = 0;
reserve(s._capacity);
for (auto ch : s)
{
push_back(ch);
}
}
return *this;
}
// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;
swap(s);
return *this;
}
~string()
{
cout << "~string() -- 析构" << endl;
delete[] _str;
_str = nullptr;
}
char& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity)
{
char* tmp = new char[n + 1];
if (_str)
{
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
}
_str = tmp;
_capacity = n;
}
}
void push_back(char ch)
{
if (_size >= _capacity)
{
size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity *
2;
reserve(newcapacity);
}
_str[_size] = ch;
++_size;
_str[_size] = '\0';
}
string& operator+=(char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
const char* c_str() const
{
return _str;
}
size_t size() const
{
return _size;
}
private:
char* _str = nullptr;
size_t _size = 0;
size_t _capacity = 0;
};
}
int main()
{
bit::string s1("xxxxx");
// 拷⻉构造
bit::string s2 = s1;
// 构造+移动构造，优化后直接构造
bit::string s3 = bit::string("yyyyy");
// 移动构造
bit::string s4 = move(s1);
cout << "******************************" << endl;
return 0;
}3.5.3 右值引用和移动语义解决传值返回问题
namespace bit
{
string addStrings(string num1, string num2)
{
string str;
int end1 = num1.size() - 1, end2 = num2.size() - 1;
int next = 0;
while (end1 >= 0 || end2 >= 0)
{
int val1 = end1 >= 0 ? num1[end1--] - '0' : 0;
int val2 = end2 >= 0 ? num2[end2--] - '0' : 0;
int ret = val1 + val2 + next;
next = ret / 10;
ret = ret % 10;
str += ('0' + ret);
}
if (next == 1)
str += '1';
reverse(str.begin(), str.end());
cout << "******************************" << endl;
return str;
}
}
// 场景1
int main()
{
bit::string ret = bit::addStrings("11111", "2222");
cout << ret.c_str() << endl;
return 0;
}
// 场景2
int main()
{
bit::string ret;
ret = bit::addStrings("11111", "2222");
cout << ret.c_str() << endl;
return 0;
}右值对象构造，只有拷贝构造，没有移动构造的场景
- 图1展示了vs2019 debug环境下编译器对拷贝的优化，左边为不优化的情况下，两次拷贝构造，右边为编译器优化的场景下连续步骤中的拷贝合二为⼀变为⼀次拷贝构造。
- 需要注意的是在vs2019的release和vs2022的debug和release，下⾯代码优化为非常恐怖，会直接将str对象的构造，str拷贝构造临时对象，临时对象拷贝构造ret对象，合三为⼀，变为直接构造。变为直接构造。要理解这个优化要结合局部对象生命周期和栈帧的⻆度理解，如图3所示。
- linux下可以将下面代码拷贝到test.cpp文件，编译时用 g++ test.cpp -fno-elide-constructors 的方式关闭构造优化，运行结果可以看到图1左边没有优化的两次拷贝。
右值对象构造，有拷贝构造，也有移动构造的场景
- 图2展示了vs2019 debug环境下编译器对拷贝的优化，左边为不优化的情况下，两次移动构造，右边为编译器优化的场景下连续步骤中的拷贝合⼆为⼀变为⼀次移动构造。
- 需要注意的是在vs2019的release和vs2022的debug和release，下面代码优化为非常恐怖，会直接将str对象的构造，str拷贝构造临时对象，临时对象拷贝构造ret对象，合三为⼀，变为直接构造。要理解这个优化要结合局部对象生命周期和栈帧的角度理解，如图3所示。
- linux下可以将下面代码拷贝到test.cpp文件，编译时用 g++ test.cpp -fno-elide-constructors 的方式关闭构造优化，运⾏结果可以看到图1左边没有优化的两次移动。
右值对象赋值，只有拷贝构造和拷贝赋值，没有移动构造和移动赋值的场景。（场景2）
- 图4左边展示了vs2019 debug和 g++ test.cpp -fno-elide-constructors 关闭优化环境下编译器的处理，⼀次拷贝构造，⼀次拷贝赋值。
- 需要注意的是在vs2019的release和vs2022的debug和release，下⾯代码会进⼀步优化，直接构造要返回的临时对象，str本质是临时对象的引用，底层角度用指针实现。运行结果的角度，我们可以看到str的析构是在赋值以后，说明str就是临时对象的别名。
右值对象赋值，既有拷贝构造和拷贝赋值，也有移动构造和移动赋值的场景
- 图5左边展示了vs2019 debug和 g++ test.cpp -fno-elide-constructors 关闭优化环境下编译器的处理，⼀次移动构造，⼀次移动赋值。
- 需要注意的是在vs2019的release和vs2022的debug和release，下⾯代码会进⼀步优化，直接构造要返回的临时对象，str本质是临时对象的引用，底层角度用指针实现。运行结果的角度，我们可以
- 看到str的析构是在赋值以后，说明str就是临时对象的别名。
3.5.4 右值引用和移动语义在传参中的提效
- 查看STL文档我们发现C++11以后容器的push和insert系列的接口否增加的右值引用版本
- 当实参是⼀个左值时，容器内部继续调用拷贝构造进行拷贝，将对象拷贝到容器空间中的对象
- 当实参是⼀个右值，容器内部则调用移动构造，右值对象的资源到容器空间的对象上
- 把我们之前模拟实现的bit::list拷贝过来，支持右值引用参数版本的push_back和insert
- 其实这里还有⼀个emplace系列的接口，但是这个涉及可变参数模板，我们需要把可变参数模板讲解以后再讲解emplace系列的接口。
//List.h
#include<iostream>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<algorithm>
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode<T>* _next;
ListNode<T>* _prev;
T _data;
ListNode(const T& data = T())
:_next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _data(data)
{}
ListNode(T&& data)
:_next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _data(move(data))
{}
};
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct ListIterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
Node* _node;
ListIterator(Node* node)
:_node(node)
{}
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
bool operator!=(const Self& it)
{
return _node != it._node;
}
};
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
void empty_init()
{
_head = new Node();
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
list()
{
empty_init();
}
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
void push_back(T&& x)
{
insert(end(), move(x));
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* cur = pos._node;
Node* newnode = new Node(x);
Node* prev = cur->_prev;
// prev newnode cur
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
return iterator(newnode);
}
iterator insert(iterator pos, T && x)
{
Node* cur = pos._node;
Node* newnode = new Node(move(x));
Node* prev = cur->_prev;
// prev newnode cur
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
return iterator(newnode);
}
private:
Node* _head;
};
//test.cpp
int main()
{
list<string> lt;
cout << "*************************" << endl;
string s1("111111111111111111111");
lt.push_back(s1);
cout << "*************************" << endl;
lt.push_back(string("22222222222222222222222222222"));
cout << "*************************" << endl;
lt.push_back("3333333333333333333333333333");
cout << "*************************" << endl;
lt.push_back(move(s1));
cout << "*************************" << endl;
return 0;
}
