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              C++关于左值,右值,左值引用,右值引用,std::move, std::foward等知识讲解
              2018-07-27 15:23:16         来源:We_are_family678的博客  
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              关于左值和右值的定义

              左值和右值在C中就存在,不过存在感不高,在C++尤其是C++11中这两个概念比较重要,左值就是有名?#20540;?#21464;量(对象),可以被赋值,可以在多条语句中使用,而右值呢,就是临时变量(对象),没有名字,只能在一条语句中出现,不能被赋值。

              在 C++11 之前,右值是不能被引用的,最大限度就是用常量引用绑定一个右值,如 :

              const int& i = 3;

              在这种情况下,右值不能被修改的。但是实际上右值是可以被修改的,如 :

              T().set().get();

              T 是一个类,set 是一个函数为 T 中的一个变量赋值,get 用来取出这个变量的值。在这句中,T() 生成一个临时对象,就是右值,set() 修改了变量的值,也就修改了这个右值。

              既然右值可以被修改,那么就可以实现右值引用。右值引用能够方便地解决实?#20351;?#31243;中的问题,实现非常有吸引力的解决方案。

              右值引用

              左值的声明符号为”&”, 为了和左值区分,右值的声明符号为”&&”。

              给出一个?#36947;?#31243;序如下

              #include 
              
              void process_value(int& i) 
              { 
                std::cout << "LValue processed: " << i << std::endl; 
              } 
              
              void process_value(int&& i) 
              { 
                std::cout << "RValue processed: " << i << std::endl; 
              } 
              
              int main() 
              { 
                int a = 0; 
                process_value(a);
                process_value(1); 
              }
              
              

              结果如下

              [email protected]:~$ g++ -std=c++11  test.cpp
              [email protected]:~$ ./a.out 
              LValue processed: 0
              RValue processed: 1
              

              Process_value 函数被重载,分别接受左值和右值。由输出结果可以看出,临时对象是作为右值处理的。

              下面涉及到一个问题

              x的类型是右值引用,指向一个右值,但x本身是左值还是右值呢?C++11对此做出了区分:

              Things that are declared as rvalue reference can be lvalues or rvalues. The distinguishing criterion is: if it has a name, then it is an lvalue. Otherwise, it is an rvalue.

              对上面的程序稍作修改就可以印证这个说法

              #include 
              
              void process_value(int& i) 
              { 
                std::cout << "LValue processed: " << i << std::endl; 
              } 
              
              void process_value(int&& i) 
              { 
                std::cout << "RValue processed: "  << std::endl; 
              } 
              
              int main() 
              { 
                int a = 0; 
                process_value(a);
                int&& x = 3;
                process_value(x); 
              }
              
              [email protected]:~$ g++ -std=c++11  test.cpp
              [email protected]:~$ ./a.out 
              LValue processed: 0
              LValue processed: 3
              

              x 是一个右值引用,指向一个右值3,但是由于x是有名?#20540;模?#25152;以x在这里被视为一个左值,所以在函数重载的时候选择为第一个函数。

              右值引用的意义

              直观意义:为临时变量续命,也就是为右值续命,因为右值在表达式结束后就消亡了,如果想继续使用右值,那就会动用昂贵的拷贝构造函数。(关于这部分,推荐一本书《深入理解C++11》)

              右值引用是用来支持转移语义的。转移语义可以将资源 ( 堆,系统对象等 ) ?#21491;?#20010;对象转?#39057;?#21478;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,能够大幅度提高 C++ 应用程序的性能。临时对象的维护 ( 创建和销毁 ) 对性能有严重影响。

              转移语义是和拷贝语义相对的,可以类比文件的剪切与拷贝,当我们将文件?#21491;?#20010;目录拷贝到另一个目录时,速度比剪切慢很多。

              通过转移语义,临时对象中的资源能够转移其它的对象里。

              在现有的 C++ 机制中,我们可以定义拷贝构造函数和赋值函数。要实现转移语义,需要定义转移构造函数,还可以定义转移赋值操作符。对于右值的拷贝和赋值会调用转移构造函数和转移赋值操作符。如果转移构造函数和转移拷贝操作符没有定义,那么就遵循现有的机制,拷贝构造函数和赋值操作符会被调用。

              普通的函数和操作符也可以利用右值引用操作符实现转移语义。

              转移语义以及转移构造函数和转移复制运算符

              以一个简单的 string 类为示例,实现拷贝构造函数和拷贝赋值操作符。

               class MyString { 
               private: 
                char* _data; 
                size_t_len; 
                void _init_data(const char *s) { 
               _data = new char[_len+1]; 
               memcpy(_data, s, _len); 
               _data[_len] = '\0'; 
                } 
               public: 
                MyString() { 
               _data = NULL; 
               _len = 0; 
                } 
              
                MyString(const char* p) { 
               _len = strlen (p); 
               _init_data(p); 
                } 
              
                MyString(const MyString& str) { 
               _len = str._len; 
               _init_data(str._data); 
               std::cout << "Copy Constructor is called! source: " << str._data << std::endl; 
                } 
              
                MyString& operator=(const MyString& str) { 
               if (this != &str) { 
              _len = str._len; 
              _init_data(str._data); 
               } 
               std::cout << "Copy Assignment is called! source: " << str._data << std::endl; 
               return *this; 
                } 
              
                virtual ~MyString() { 
               if (_data) free(_data); 
                } 
               }; 
              
               int main() { 
                MyString a; 
                a = MyString("Hello"); 
                std::vector vec; 
                vec.push_back(MyString("World")); 
               }
               Copy Assignment is called! source: Hello 
               Copy Constructor is called! source: World

              这个 string 类已经基本满足我们演示的需要。在 main 函数中,实现了调用拷贝构造函数的操作和拷贝赋值操作符的操作。MyString(“Hello”) 和 MyString(“World”) 都是临时对象,也就是右值。虽然它们是临时的,但程序仍然调用了拷贝构造和拷贝赋值,造成了没有意义的资源申请和释放的操作。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,有能节省资源申请和释放的时间。这正是定义转移语义的目的。

              我们先定义转移构造函数。

                MyString(MyString&& str) { 
               std::cout << "Move Constructor is called! source: " << str._data << std::endl; 
               _len = str._len; 
               _data = str._data; 
               str._len = 0; 
               str._data = NULL; 
               }

              有下面几点需要对照代码注意:
              1. 参数(右值)的符号必须是右值引用符号,即“&&”。
              2. 参数(右值)不可以是常量,因为我?#20999;?#35201;修改右值。
              3. 参数(右值)的资源链接和标记必须修改。否则,右值的析构函数就会释放资源。转?#39057;?#26032;对象的资源也就无效了。

              现在我们定义转移赋值操作符。

                MyString& operator=(MyString&& str) { 
               std::cout << "Move Assignment is called! source: " << str._data << std::endl; 
               if (this != &str) { 
              _len = str._len; 
              _data = str._data; 
              str._len = 0; 
              str._data = NULL; 
               } 
               return *this; 
               }

              这里需要注意的问题和转移构造函数是一样的。

              增加了转移构造函数和转移复制操作符后,我们的程序运行结果为 :

              由此看出,编译器区分了左值和右值,对右值调用了转移构造函数和转移赋值操作符。节省了资源,提高了程序运行的效?#30465;?/p>

              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,应该设计转移构造函数和转移赋值函数,以提高应用程序的效?#30465;?/p>

              关于std::move()和std::forward 再次推荐一本书:《effective modern C++》

              英文版的,这里有篇关于其中item25的翻译不错

              请看这里

              但是这几点总结的不错

              std::move执行一个无条件的转化到右值。它本身并不移动任何东西;

              std::forward把其参数转换为右值,仅仅在那个参数被绑定到一个右值时;

              std::move和std::forward在运行时(runtime)都不做任?#38382;隆?/p>

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