1.右值引用

右值引用是 C++11 引入的與 Lambda 表達(dá)式齊名的重要特性之一。它的引入解決了 C++ 中大量的歷史遺留問(wèn)題， 消除了諸如 std::vector、std::string 之類(lèi)的額外開(kāi)銷(xiāo)， 也才使得函數(shù)對(duì)象容器 std::function 成為了可能。

1.1左值右值的純右值將亡值右值

要弄明白右值引用到底是怎么一回事，必須要對(duì)左值和右值做一個(gè)明確的理解。

左值 (lvalue, left value)，顧名思義就是賦值符號(hào)左邊的值。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)， 左值是表達(dá)式（不一定是賦值表達(dá)式）后依然存在的持久對(duì)象。

右值 (rvalue, right value)，右邊的值，是指表達(dá)式結(jié)束后就不再存在的臨時(shí)對(duì)象。

而 C++11 中為了引入強(qiáng)大的右值引用，將右值的概念進(jìn)行了進(jìn)一步的劃分，分為：純右值、將亡值。

純右值 (prvalue, pure rvalue)，純粹的右值，要么是純粹的字面量，例如 10, true； 要么是求值結(jié)果相當(dāng)于字面量或匿名臨時(shí)對(duì)象，例如 1+2。非引用返回的臨時(shí)變量、運(yùn)算表達(dá)式產(chǎn)生的臨時(shí)變量、 原始字面量、Lambda 表達(dá)式都屬于純右值。

需要注意的是，字面量除了字符串字面量以外，均為純右值。而字符串字面量是一個(gè)左值，類(lèi)型為 const char 數(shù)組。例如：

#include <type_traits>
int main() {
    // 正確，"01234" 類(lèi)型為 const char [6]，因此是左值
    const char (&left)[6] = "01234";
    // 斷言正確，確實(shí)是 const char [6] 類(lèi)型，注意 decltype(expr) 在 expr 是左值
    // 且非無(wú)括號(hào)包裹的 id 表達(dá)式與類(lèi)成員表達(dá)式時(shí)，會(huì)返回左值引用
    static_assert(std::is_same<decltype("01234"), const char(&)[6]>::value, "");
    // 錯(cuò)誤，"01234" 是左值，不可被右值引用
    // const char (&&right)[6] = "01234";
}

但是注意，數(shù)組可以被隱式轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的指針類(lèi)型，而轉(zhuǎn)換表達(dá)式的結(jié)果（如果不是左值引用）則一定是個(gè)右值（右值引用為將亡值，否則為純右值）。例如：

const char*   p   = "01234";  // 正確，"01234" 被隱式轉(zhuǎn)換為 const char*
const char*&& pr  = "01234";  // 正確，"01234" 被隱式轉(zhuǎn)換為 const char*，該轉(zhuǎn)換的結(jié)果是純右值
// const char*& pl = "01234"; // 錯(cuò)誤，此處不存在 const char* 類(lèi)型的左值
將亡值 (xvalue, expiring value)，是 C++11 為了引入右值引用而提出的概念（因此在傳統(tǒng) C++ 中， 純右值和右值是同一個(gè)概念），也就是即將被銷(xiāo)毀、卻能夠被移動(dòng)的值。
將亡值可能稍有些難以理解，我們來(lái)看這樣的代碼：
std::vector<int> foo() {
    std::vector<int> temp = {1, 2, 3, 4};
    return temp;
}
std::vector<int> v = foo();

在這樣的代碼中，就傳統(tǒng)的理解而言，函數(shù) foo 的返回值 temp 在內(nèi)部創(chuàng)建然后被賦值給 v， 然而 v 獲得這個(gè)對(duì)象時(shí)，會(huì)將整個(gè) temp 拷貝一份，然后把 temp 銷(xiāo)毀，如果這個(gè) temp 非常大， 這將造成大量額外的開(kāi)銷(xiāo)（這也就是傳統(tǒng) C++ 一直被詬病的問(wèn)題）。在最后一行中，v 是左值、 foo() 返回的值就是右值（也是純右值）。但是，v 可以被別的變量捕獲到， 而 foo() 產(chǎn)生的那個(gè)返回值作為一個(gè)臨時(shí)值，一旦被 v 復(fù)制后，將立即被銷(xiāo)毀，無(wú)法獲取、也不能修改。 而將亡值就定義了這樣一種行為：臨時(shí)的值能夠被識(shí)別、同時(shí)又能夠被移動(dòng)。

在 C++11 之后，編譯器為我們做了一些工作，此處的左值 temp 會(huì)被進(jìn)行此隱式右值轉(zhuǎn)換， 等價(jià)于 static_cast<std::vector<int> &&>(temp)，進(jìn)而此處的 v 會(huì)將 foo 局部返回的值進(jìn)行移動(dòng)。 也就是后面我們將會(huì)提到的移動(dòng)語(yǔ)義。

1.2右值引用和左值引用

要拿到一個(gè)將亡值，就需要用到右值引用：T &&，其中 T 是類(lèi)型。 右值引用的聲明讓這個(gè)臨時(shí)值的生命周期得以延長(zhǎng)、只要變量還活著，那么將亡值將繼續(xù)存活。

C++11 提供了 std::move 這個(gè)方法將左值參數(shù)無(wú)條件的轉(zhuǎn)換為右值， 有了它我們就能夠方便的獲得一個(gè)右值臨時(shí)對(duì)象，例如：

#include <iostream>
#include <string>
void reference(std::string& str) {
    std::cout << "左值" << std::endl;
}
void reference(std::string&& str) {
    std::cout << "右值" << std::endl;
}
int main()
{
    std::string lv1 = "string,"; // lv1 是一個(gè)左值
    // std::string&& r1 = lv1; // 非法, 右值引用不能引用左值
    std::string&& rv1 = std::move(lv1); // 合法, std::move可以將左值轉(zhuǎn)移為右值
    std::cout << rv1 << std::endl; // string,
    const std::string& lv2 = lv1 + lv1; // 合法, 常量左值引用能夠延長(zhǎng)臨時(shí)變量的生命周期
    // lv2 += "Test"; // 非法, 常量引用無(wú)法被修改
    std::cout << lv2 << std::endl; // string,string,
    std::string&& rv2 = lv1 + lv2; // 合法, 右值引用延長(zhǎng)臨時(shí)對(duì)象生命周期
    rv2 += "Test"; // 合法, 非常量引用能夠修改臨時(shí)變量
    std::cout << rv2 << std::endl; // string,string,string,Test
    reference(rv2); // 輸出左值
    return 0;
}

rv2 雖然引用了一個(gè)右值，但由于它是一個(gè)引用，所以 rv2 依然是一個(gè)左值。

注意，這里有一個(gè)很有趣的歷史遺留問(wèn)題，我們先看下面的代碼：

#include <iostream>
int main() {
    // int &a = std::move(1);    // 不合法，非常量左引用無(wú)法引用右值
    const int &b = std::move(1); // 合法, 常量左引用允許引用右值
    std::cout << a << b << std::endl;
}
第一個(gè)問(wèn)題，為什么不允許非常量引用綁定到非左值？這是因?yàn)檫@種做法存在邏輯錯(cuò)誤：
void increase(int & v) {
    v++;
}
void foo() {
    double s = 1;
    increase(s);
}

由于 int& 不能引用 double 類(lèi)型的參數(shù)，因此必須產(chǎn)生一個(gè)臨時(shí)值來(lái)保存 s 的值， 從而當(dāng) increase() 修改這個(gè)臨時(shí)值時(shí)，調(diào)用完成后 s 本身并沒(méi)有被修改。

第二個(gè)問(wèn)題，為什么常量引用允許綁定到非左值？原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)?Fortran 需要。

2.移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)

傳統(tǒng) C++ 通過(guò)拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值操作符為類(lèi)對(duì)象設(shè)計(jì)了拷貝/復(fù)制的概念，但為了實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的移動(dòng)操作， 調(diào)用者必須使用先復(fù)制、再析構(gòu)的方式，否則就需要自己實(shí)現(xiàn)移動(dòng)對(duì)象的接口。 試想，搬家的時(shí)候是把家里的東西直接搬到新家去，而不是將所有東西復(fù)制一份（重買(mǎi)）再放到新家、 再把原來(lái)的東西全部扔掉（銷(xiāo)毀）

傳統(tǒng)的 C++ 沒(méi)有區(qū)分『移動(dòng)』和『拷貝』的概念，造成了大量的數(shù)據(jù)拷貝，浪費(fèi)時(shí)間和空間。 右值引用的出現(xiàn)恰好就解決了這兩個(gè)概念的混淆問(wèn)題，例如：

#include <iostream>
class A {
public:
    int *pointer;
    A():pointer(new int(1)) {
        std::cout << "構(gòu)造" << pointer << std::endl;
    }
    A(A& a):pointer(new int(*a.pointer)) {
        std::cout << "拷貝" << pointer << std::endl;
    } // 無(wú)意義的對(duì)象拷貝
    A(A&& a):pointer(a.pointer) {
        a.pointer = nullptr;
        std::cout << "移動(dòng)" << pointer << std::endl;
    }
    ~A(){
        std::cout << "析構(gòu)" << pointer << std::endl;
        delete pointer;
    }
};
// 防止編譯器優(yōu)化
A return_rvalue(bool test) {
    A a,b;
    if(test) return a; // 等價(jià)于 static_cast<A&&>(a);
    else return b;     // 等價(jià)于 static_cast<A&&>(b);
}
int main() {
    A obj = return_rvalue(false);
    std::cout << "obj:" << std::endl;
    std::cout << obj.pointer << std::endl;
    std::cout << *obj.pointer << std::endl;
    return 0;
}

在上面的代碼中：

首先會(huì)在 return_rvalue 內(nèi)部構(gòu)造兩個(gè) A 對(duì)象，于是獲得兩個(gè)構(gòu)造函數(shù)的輸出；

函數(shù)返回后，產(chǎn)生一個(gè)將亡值，被 A 的移動(dòng)構(gòu)造（A(A&&)）引用，從而延長(zhǎng)生命周期，并將這個(gè)右值中的指針拿到，保存到了 obj 中，而將亡值的指針被設(shè)置為 nullptr，防止了這塊內(nèi)存區(qū)域被銷(xiāo)毀。

從而避免了無(wú)意義的拷貝構(gòu)造，加強(qiáng)了性能。再來(lái)看看涉及標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的例子：

#include <iostream> // std::cout
#include <utility> // std::move
#include <vector> // std::vector
#include <string> // std::string
int main() {
    std::string str = "Hello world.";
    std::vector<std::string> v;
    // 將使用 push_back(const T&), 即產(chǎn)生拷貝行為
    v.push_back(str);
    // 將輸出 "str: Hello world."
    std::cout << "str: " << str << std::endl;
    // 將使用 push_back(const T&&), 不會(huì)出現(xiàn)拷貝行為
    // 而整個(gè)字符串會(huì)被移動(dòng)到 vector 中，所以有時(shí)候 std::move 會(huì)用來(lái)減少拷貝出現(xiàn)的開(kāi)銷(xiāo)
    // 這步操作后, str 中的值會(huì)變?yōu)榭?
    v.push_back(std::move(str));
    // 將輸出 "str: "
    std::cout << "str: " << str << std::endl;
    return 0;
}

2.1完美的移動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)

前面我們提到了，一個(gè)聲明的右值引用其實(shí)是一個(gè)左值。這就為我們進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)（傳遞）造成了問(wèn)題：

void reference(int& v) {
    std::cout << "左值" << std::endl;
}
void reference(int&& v) {
    std::cout << "右值" << std::endl;
}
template <typename T>
void pass(T&& v) {
    std::cout << "普通傳參:";
    reference(v); // 始終調(diào)用 reference(int&)
}
int main() {
    std::cout << "傳遞右值:" << std::endl;
    pass(1); // 1是右值, 但輸出是左值
    std::cout << "傳遞左值:" << std::endl;
    int l = 1;
    pass(l); // l 是左值, 輸出左值
    return 0;
}

對(duì)于 pass(1) 來(lái)說(shuō)，雖然傳遞的是右值，但由于 v 是一個(gè)引用，所以同時(shí)也是左值。 因此 reference(v) 會(huì)調(diào)用 reference(int&)，輸出『左值』。 而對(duì)于pass(l)而言，l是一個(gè)左值，為什么會(huì)成功傳遞給 pass(T&&) 呢？

這是基于引用坍縮規(guī)則的：在傳統(tǒng) C++ 中，我們不能夠?qū)σ粋€(gè)引用類(lèi)型繼續(xù)進(jìn)行引用， 但 C++ 由于右值引用的出現(xiàn)而放寬了這一做法，從而產(chǎn)生了引用坍縮規(guī)則，允許我們對(duì)引用進(jìn)行引用， 既能左引用，又能右引用。但是卻遵循如下規(guī)則：

因此，模板函數(shù)中使用 T&& 不一定能進(jìn)行右值引用，當(dāng)傳入左值時(shí)，此函數(shù)的引用將被推導(dǎo)為左值。 更準(zhǔn)確的講，無(wú)論模板參數(shù)是什么類(lèi)型的引用，當(dāng)且僅當(dāng)實(shí)參類(lèi)型為右引用時(shí)，模板參數(shù)才能被推導(dǎo)為右引用類(lèi)型。 這才使得 v 作為左值的成功傳遞。

完美轉(zhuǎn)發(fā)就是基于上述規(guī)律產(chǎn)生的。所謂完美轉(zhuǎn)發(fā)，就是為了讓我們?cè)趥鬟f參數(shù)的時(shí)候， 保持原來(lái)的參數(shù)類(lèi)型（左引用保持左引用，右引用保持右引用）。 為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們應(yīng)該使用 std::forward 來(lái)進(jìn)行參數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)（傳遞）：

#include <iostream>
#include <utility>
void reference(int& v) {
    std::cout << "左值引用" << std::endl;
}
void reference(int&& v) {
    std::cout << "右值引用" << std::endl;
}
template <typename T>
void pass(T&& v) {
    std::cout << "              普通傳參: ";
    reference(v);
    std::cout << "       std::move 傳參: ";
    reference(std::move(v));
    std::cout << "    std::forward 傳參: ";
    reference(std::forward<T>(v));
    std::cout << "static_cast<T&&> 傳參: ";
    reference(static_cast<T&&>(v));
}
int main() {
    std::cout << "傳遞右值:" << std::endl;
    pass(1);
    std::cout << "傳遞左值:" << std::endl;
    int v = 1;
    pass(v);
    return 0;
}

輸出結(jié)果為：

傳遞右值:

              普通傳參: 左值引用
       std::move 傳參: 右值引用
    std::forward 傳參: 右值引用
static_cast<T&&> 傳參: 右值引用
傳遞左值:
              普通傳參: 左值引用
       std::move 傳參: 右值引用
    std::forward 傳參: 左值引用
static_cast<T&&> 傳參: 左值引用

無(wú)論傳遞參數(shù)為左值還是右值，普通傳參都會(huì)將參數(shù)作為左值進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)， 所以 std::move 總會(huì)接受到一個(gè)左值，從而轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)用了reference(int&&) 輸出右值引用。

唯獨(dú) std::forward 即沒(méi)有造成任何多余的拷貝，同時(shí)完美轉(zhuǎn)發(fā)(傳遞)了函數(shù)的實(shí)參給了內(nèi)部調(diào)用的其他函數(shù)。

std::forward 和 std::move 一樣，沒(méi)有做任何事情，std::move 單純的將左值轉(zhuǎn)化為右值， std::forward 也只是單純的將參數(shù)做了一個(gè)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換，從現(xiàn)象上來(lái)看， std::forward<T>(v) 和 static_cast<T&&>(v) 是完全一樣的。

讀者可能會(huì)好奇，為何一條語(yǔ)句能夠針對(duì)兩種類(lèi)型的返回對(duì)應(yīng)的值， 我們?cè)俸?jiǎn)單看一看 std::forward 的具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制，std::forward 包含兩個(gè)重載：

template<typename _Tp>
constexpr _Tp&& forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type& __t) noexcept
{ return static_cast<_Tp&&>(__t); }
template<typename _Tp>
constexpr _Tp&& forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type&& __t) noexcept
{
    static_assert(!std::is_lvalue_reference<_Tp>::value, "template argument"
        " substituting _Tp is an lvalue reference type");
    return static_cast<_Tp&&>(__t);
}

在這份實(shí)現(xiàn)中，std::remove_reference 的功能是消除類(lèi)型中的引用， std::is_lvalue_reference 則用于檢查類(lèi)型推導(dǎo)是否正確，在 std::forward 的第二個(gè)實(shí)現(xiàn)中 檢查了接收到的值確實(shí)是一個(gè)左值，進(jìn)而體現(xiàn)了坍縮規(guī)則。

當(dāng) std::forward 接受左值時(shí)，_Tp 被推導(dǎo)為左值，所以返回值為左值；而當(dāng)其接受右值時(shí)， _Tp 被推導(dǎo)為 右值引用，則基于坍縮規(guī)則，返回值便成為了 && + && 的右值。 可見(jiàn) std::forward 的原理在于巧妙的利用了模板類(lèi)型推導(dǎo)中產(chǎn)生的差異。

這時(shí)我們能回答這樣一個(gè)問(wèn)題：為什么在使用循環(huán)語(yǔ)句的過(guò)程中，auto&& 是最安全的方式？ 因?yàn)楫?dāng) auto 被推導(dǎo)為不同的左右引用時(shí)，與 && 的坍縮組合是完美轉(zhuǎn)發(fā)。

到此這篇關(guān)于C++右值引用與移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++右值引用內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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