C++11:右值引用、移动语义和完美转发

2024-08-21 03:44

本文主要是介绍C++11:右值引用、移动语义和完美转发,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

目录

前言

1. 左值引用和右值引用

2. 引用范围

3. 左值引用的缺陷

4. 右值引用的作用

5. 右值引用的深入场景

6. 完美转发

总结


前言

C++11作为一次重大的更新,引入了许多革命性的特性,其中之一便是右值引用和移动语义。本文将深入探讨其中引入的右值及其相关概念,帮助读者更好地理解这一特性,从而在编程实践中更有效地利用它。


1. 左值引用和右值引用

C++98中有引用的用法,而C++11中新增了右值引用的语法特性,之前学习的引用都是左值引用。不管是左值引用还是右值引用,都是给对象取别名。那什么左值和左值引用?还有右值和右值引用?

左值是一个表示数据的表达式。

  • 具有固定的地址,可以获取它们的地址。
  • 可以出现在赋值符号的左侧,对它进行赋值。
  • 当用const修饰左值时,不能进行赋值,但是可以取地址。

左值引用就是对左值进行引用。

下面的例子中,有整型变量x,指针变量ptr,const修饰下整型变量y,字符串类变量s。上面的变量都是左值,都可以取地址。

int main()
{// 以下的x、y、ptr、s都是左值// 左值:可以取地址int x = 10;int* ptr = new int(0);const int y = 2;string s("11111");//左值引用int& r1 = x;int*& r2 = ptr;int& r3 = *ptr;const int& r4 = y;string& r5 = s;return 0;
}

右值是一个表示数据的表达式,如字面常量、临时对象、表达式返回值、函数返回值(左值引用类型返回除外)。

  • 没有固定的内存地址,不能够获取其地址。
  • 可以出现在赋值符号的右边,但是不能出现在赋值符号的左边没有。

右值引用就是对右值进行引用。

int main()
{//右值:不能取地址double x = 2.5;//以下是常见的右值15;			     //字面常量x + 15;			 //表达式返回值fmin(x, y);		 //函数返回值string("11111"); //临时对象//右值引用int&& rr1 = 15;double&& rr2 = x + 15;double&& rr3 = fmin(x, y);string&& rr4 = string("1111111");return 0;
}

2. 引用范围

左值引用范围

  1. 左值引用一般情况下只能引用左值。
  2. 但加上const修饰之后,左值引用可以引用左值,还可以引用右值。

字面常量15被引用为整型变量时需要转换类型,中间会产生临时变量,临时变量具有常性。如果使用普通引用,可以对此引用进行修改,会导致权限放大。

int main()
{//右值:不能取地址double x = 2.5;//以下是常见的右值15;			     //字面常量x + 15;			 //表达式返回值fmin(x, y);		 //函数返回值string("11111"); //临时对象//右值引用int&& rr1 = 15;double&& rr2 = x + 15;double&& rr3 = fmin(x, y);string&& rr4 = string("1111111");//const修饰后,可以引用右值const int& rx1 = 15;const double& rx2 = x + 15;const double& rx3 = fmin(x, y);const string& rx4 = string("1111111");   return 0;
}

右值引用范围:

  1. 右值引用一般情况下只能引用右值。
  2. 但是右值引用可以引用move之后的左值。
int main()
{//右值引用int&& rr1 = 15;//无法引用左值,下面会报错int x =  10;int&& rr2 = x; //error//move之后,可以右值引用int&& rr3 = std::move(x);return 0;
}

3. 左值引用的缺陷

既然已经有左值引用,为什么还要搞出一个右值引用的概念,这是为什么呢?下面是用C++简单实现的string类。如果对字符串类不熟悉,可以转到这篇文章http://t.csdnimg.cn/Znclr。构造函数,拷贝构造函数和赋值重载函数内部都有打印函数原型,方便查看函数调用情况。

#include <assert.h>namespace Rustle
{class string{public:typedef char* iterator;iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}typedef const char* const_iterator;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)" << endl;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}// s1.swap(s2)void swap(string& s){::swap(_str, s._str);::swap(_size, s._size);::swap(_capacity, s._capacity);}// 拷贝构造string(const string& s):_str(nullptr){cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;reserve(s._capacity);for (const auto& ch : s){push_back(ch);}}// 赋值重载string& operator=(const string& s){cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << endl;if (this != &s){_str[0] = '\0';_size = 0;reserve(s._capacity);for (auto& ch : s){push_back(ch);}}return *this;}~string(){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';}void append(const char* str){size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}//s += 'a'string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}//s += "11111"string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}const char* c_str() const{return _str;}private:char* _str = nullptr;size_t _size = 0;size_t _capacity = 0; // 不包含最后做标识的\0};
}

左值引用的场景

左值引用给左值取别名。传递函数参数或者返回函数值时,可以减少拷贝,提高效率。

  • TestNonLeftRef函数参数类型是string类,函数参数是实参的临时拷贝,如果是自定义类型,会调用相应的拷贝构造,创建新的变量。
  • 而TestLeftRef函数参数是string类引用,相当于给传过来的参数取别名,不会调用拷贝构造。
  • operator[]函数返回值类型是字符类型的引用,对字符进行取别名,不用进行拷贝。
void TestNonLeftRef(Rustle::string s)
{}void TestLeftRef(Rustle::string& s)
{}int main()
{Rustle::string s("111111");TestNonLeftRef(s);TestLeftRef(s);Rustle::string s1("xxxxxx");//operator[]返回值类型是//Rustle::char& operator[](size_t n);s1[0];return 0;
}

运行结果如下,main函数中创建s变量时调用了构造函数。接受参数为s的两个函数,只有TestNonLeftRef调用了拷贝构造。最后一个构造是创建s1变量调用的。

左值引用的缺陷

当函数返回的值是一个函数内的局部变量时,局部变量出了函数作用域就会被销毁,无法使用左值引用返回,只能进行传值返回。

Rustle::string GetStr(int flag)
{Rustle::string str;if (flag)str += "true";elsestr += "false";return str;
}int main()
{Rustle::string s1;s1 = GetStr(1);return 0;
}

如上面代码所示,str是一个局部变量,出作用域就销毁,只能使用传值返回。下图中,一般情况下str变量传值返回时,会拷贝此变量来创建一个临时变量,如果是自定义类型就会调用拷贝构造函数。s1会调用拷贝构造函数,拷贝临时变量

但是某些编译器进行优化之后,只用进行一次拷贝构造函数,不产生中间的临时变量。

 不过VS2022编译器对这个场景优化的十分厉害。下面是运行结果示意图,只调用了一次构造函数。说明编译器已经识别s1要使用GetStr返回值进行构造。相当于str跟s1是同一个变量。

 

但如果先创建string类,再使用赋值重载函数拷贝函数返回值。

int main()
{Rustle::string s2;s2 = GetStr(0);return 0;
}

运行结果如下,调用了两次构造函数和一个赋值重载函数。mian函数内创建一个string类对象,GetStr函数内创建了一个string类对象。在返回该对象时,本来会产生一个临时对象,调用一个拷贝构造,不过编译器优化掉这一步骤,直接调用赋值重载函数。

4. 右值引用的作用

通过上面的讲述,我们知道左值引用不能解决传值返回的场景,大部分编译器起码至少会调用一次拷贝构造,这样会降低运行效率。右值引用的出现就是为了解决这种场景。

  • 右值分为纯右值和将亡值。其中将亡值指的是那些即将被销毁的对象,函数返回值就是将亡值。右值引用可以引用将亡值,虽然左值引用不能当做返回类型,但是右值引用可以当做返回类型。
  • 既然右值引用左为函数返回类型,string类就要重载一份右值引用版本的拷贝构造函数和赋值重载函数。这类函数分别叫做移动构造函数和移动赋值函数。
  • 如下面代码,移动构造函数的本质是将右值的资源转移,或者叫做“窃取”。这样就不用做深拷贝了,所以叫做移动构造,就是转移别人的资源进行构造。
		// 移动构造string(string&& s):_str(nullptr), _size(0), _capacity(0){cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;swap(s);}// 移动赋值string& operator=(string&& s){cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动构造" << endl;swap(s);return *this;}

增加了移动构造和移动赋值之后,我们测试一下刚才的代码。

Rustle::string GetStr(int flag)
{Rustle::string str;if (flag)str += "true";elsestr += "false";return str;
}int main()
{Rustle::string s2;s2 = GetStr(0);return 0;
}

调用了两次构造函数,还有一次移动构造。

5. 右值引用的深入场景

前面我们提到右值引用无法直接引用左值,但是move函数可以将左值转换成右值,从而达到左值被引用。std::move函数实际上对左值没有转移任何资源,只是将左值强制转化成右值。

如下面的代码,string类对象正常使用同类进行拷贝构造,不会影响被拷贝的对象。但是被拷贝对象被move之后,强制转化成右值,就会调用移动版本的构造,窃取s1的资源,将s1置空。

int main()
{Rustle::string s1("xxxxxx");//调用普通构造函数Rustle::string s2(s1);s1[0];//识别s1为右值,调用移动构造,会转移s1的资源来构造s3//那么s1就被置空了,无法用[]访问Rustle::string s3(move(s1));s1[0]; //errorreturn 0;
}

 

左值引用和右值引用本质上都是给变量取别名。我们看下面的代码,s1为左值,通过强制转换成右值。匿名对象本身为右值,也可以通过强制转化成左值。

void func(const Rustle::string& s)
{cout << "void func(const Rustle::string& s)" << endl;
}void func(Rustle::string&& s)
{cout << "void func(Rustle::string&& s)" << endl;
}//左值和右值属性可以互相切换,在数据层没有差别
int main()
{//左值Rustle::string s1("1111111");func(s1);//强制转换成右值func((Rustle::string&&)s1);//右值func(Rustle::string("11111111"));//强制转换成左值func((Rustle::string&)Rustle::string("11111111"));return 0;
}

 运行结果如下:

下面是用C++简单实现的list容器,只包含插入函数相关的部分,其他接口函数已经省略。并且还提供了右值引用版本的插入函数。如果对list容器不熟悉,可以看这篇文章http://t.csdnimg.cn/WWsBs。

namespace Rustle
{template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& data = T())//匿名对象,调用的是默认构造:_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(data){}};template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:list(){_head = new Node(T());_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}void push_back(const T& x){insert(end(), x);}//移动插入void push_back(T&& x){insert(end(), x);}iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;//prev newnode curprev->_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(x);Node* prev = cur->_prev;//prev newnode curprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;return iterator(newnode);}private:Node* _head;};

我们尝试运行下面的代码。我把代码分为五个部分,每个部分都有对应的解释。

int main()
{//1.创建一个list类变量ltRustle::list<Rustle::string> lt;//2.显示对象插入Rustle::string s1("1111111111111111");lt.push_back(s1);//3.匿名对象lt.push_back(Rustle::string("1111111111111111"));//4.字符串类隐式类型转换为string类lt.push_back("1111111111111111");//5.通过move函数强制转化s1为右值lt.push_back(move(s1));return 0;
}
  • 运行结果如下。第一个string类的构造函数和拷贝构造函数,是创建list容器变量lt调用的。因为list容器有个哨兵位结点,内部不存储有效数据,用来简化list的插入和删除工作。
  • list的默认构造函数会开辟一个ListNode类的结点,ListNode类的构造函数是全缺省的,如果没传参数,会使用缺省值,缺省值是调用string类的默认构造函数。参数列表中拷贝data创建ListNode的_data变量,会调用拷贝构造函数。
		ListNode(const T& data = T())//匿名对象,调用的是默认构造:_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(data){}list(){_head = new Node(T());_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}
  • 正常来说,序号3之后的代码中push_back参数都是右值,应该调用string类中的移动构造才对,但是全部调用的是拷贝构造,进行深拷贝。这是为什么呢?

尝试运行下面的代码,观察结果。

void TestRightRef(Rustle::string&& str)
{cout << &str << endl;
}int main()
{TestRightRef(Rustle::string("111111111111111"));Rustle::string&& r1 = Rustle::string("1111111111111111");cout << &r1 << endl;//通过测试,发现右值引用本身属性是左值,那为什么会是左值呢?//因为只有右值引用本身的属性是左值,才能传递参数,转移他的资源return 0;
}

观察运行结果,发现右值引用本身可以取地址,说明右值引用本身属性是左值。第一种是传递右值参数,TestRightRef函数用右值引用接受,可以取地址。第二种是直接对右值引用。

这两种方式都会导致右值被引用之后退化成左值。只有右值引用本身的属性是左值的情况下,才可以进行赋值,做函数参数和做函数返回值的操作。

所以说,函数用右值引用接收右值时,右值引用的属性会退化成左值。

当使用push_back函数,插入右值对象时,会调用移动插入函数。在移动插入函数中,右值引用参数x本身属性已经退化成左值。而移动插入函数主要是复用了insert函数完成尾插的操作,虽然重载了右值引用版本的insert函数,但是由于x属性为左值,还是会调用到左值引用版本的insert函数。

这就导致string类调用的是拷贝构造函数。

namespace Rustle
{template<class T>struct ListNode{//...ListNode(const T& data = T())//匿名对象,调用的是默认构造:_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(data){}};template<class T>class list{//...public://移动插入void push_back(T&& x){insert(end(), x);}iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;//...return iterator(newnode);}iterator insert(iterator pos, T&& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;//...return iterator(newnode);}//...};

那我们该怎么解决呢?根据右值被引用之后属性退化成左值的问题,每次函数使用右值引用参数接收右值后,如果需要使用右值引用,就必须使用move函数改变右值引用的属性。

那么list容器的push_back函数中需要加上move函数,insert函数中也要加上move函数,ListNode的构造函数也需要提供一个右值引用版本的。

namespace Rustle
{template<class T>struct ListNode{//...ListNode(const T& data = T())//匿名对象,调用的是默认构造:_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(data){}ListNode(T&& data)//右值版本:_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(move(data)){}};template<class T>class list{//...public://移动插入void push_back(T&& x){insert(end(), move(x));//加上move函数}iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;//...return iterator(newnode);}iterator insert(iterator pos, T&& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(move(x));//加上move函数Node* prev = cur->_prev;//...return iterator(newnode);}//...};

运行结果如下:

 

6. 完美转发

前面提到右值引用的属性是左值,所以一旦要使用右值引用,需要使用move函数强制转换属性。如list的push_back函数,一层一层传递右值,每一层都要重载左值引用和右值引用两个版本的函数,十分麻烦。有什么办法可以解决呢?那就要介绍C++11引入的新特性——完美转发。

完美转发(Perfect Forwarding)是C++11中引入的一个特性,它允许在函数模板中,将参数连同其类型信息一起不变地传递给其他函数。这意味着,无论是左值引用还是右值引用,都能保持其原有的引用类型,在传递过程中不会意外地变成左值引用。

使用完美转发时,尖括号里面是放变量类型,圆括号是放变量。

    std::forward<T>(x)

下面的代码就是使用完美转发的效果对比。其中模版中的&&不代表右值引用,而是万能引用,其既能接收左值又能接收右值。模版函数可以接收左值和右值,不过第一个模版函数没有使用完美转发,第二个函数使用了完美转发。

void Fun(int& x)  { cout << "左值引用" << endl; }
void Fun(const int& x) { cout << "const 左值引用" << endl; }
void Fun(int&& x) { cout << "右值引用" << endl; }
void Fun(const int&& x) { cout << "const 右值引用" << endl; }template<typename T>
void NonPerfectForward(T&& t)
{Fun(t);
}template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{//模版实例化是左值引用,保持属性直接传参给Fun//模版实例化是右值引用,右值引用属性会退化成左值,转换成右值属性在传参给FunFun(forward<T>(t));
}void Test1()
{int a;    const int b = 8;NonPerfectForward(a);			   // 左值NonPerfectForward(std::move(a));  // 右值NonPerfectForward(b);             // const 左值NonPerfectForward(std::move(b));  // const 右值cout << endl;PerfectForward(a);			   // 左值PerfectForward(std::move(a));  // 右值PerfectForward(b);             // const 左值PerfectForward(std::move(b));  // const 右值
}int main()
{Test1();return 0;
}

 运行结果如下,第一个模版函数接收右值后,右值引用属性退化成左值,调用的还是左值引用类型的函数。第二个函数使用了完美转发,如果模版实例化是左值引用,保持属性直接传参给Fun,如果实例化后是右值引用,会转换成右值属性在传参给Fun。


总结

经过长篇累牍的讲解,相信大家对右值引用和移动语义的概念有了初步的认识。通过对这些特性的学习,我们可以编写出更加高效和精炼的代码。如果亲自上手敲写上述示例代码,会有更加深刻的理解。

创作不易,希望这篇文章能给你带来启发和帮助,如果喜欢这篇文章,请留下你的三连,你的支持的我最大的动力!!!

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这篇关于C++11:右值引用、移动语义和完美转发的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/1092030

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