右值引用、转移和完美转发

xingzhu2025-01-212025-03-27

右值引用

左值是指存储在内存中、有明确存储地址（可取地址）的数据右值是指可以提供数据值的数据（不可取地址）

右值和左值形式

// 左值
int num = 10;
// 左值引用
int &a = num;
// 右值引用
int &&b = 10;
int &&p = b;         // 错误
// 常量左值引用
const int &c = num;
const int &g = 10;
const int &g1 = a;
int &t = c;            // 错误
// 常量右值引用
const int &&d = 10;
// 常量左值引用
const int &g2 = d;
const int &g3 = b;
const int &&e = b;      // 错误
const int &&f = d;      // 错误

右值引用

简单来说就是夺舍，就是把临时对象的空间占据，成为管理者，之前的管理者踢出，指向空然后夺舍之人管理内存空间数据

首先右值的划分：

纯右值：非引用返回的临时变量或对象（一般是通过函数的形式）、运算表达式产生的临时变量、原始字面量和 lambda 表达式等
将亡值：与右值引用相关的表达式，比如，T&& 类型函数的返回值、std::move 的返回值等

class Test {  
public:  
    Test():m_num(new int(100)) {  
        cout << "这是默认构造" << " ";  
        printf("m_num 地址: %p\n", m_num);  
    }  
    Test(const Test& a):m_num(new int(*a.m_num)) {  
        cout << "这是拷贝构造" << endl;  
    } 
    // 移动构造函数（右值引用构造函数）---> 复用另一个对象的资源，夺舍
    Test(Test &&a):m_num(a.m_num){  
        a.m_num = nullptr;                 // 避免析构释放同一内存，因为夺舍了
        cout << "这是移动构造" << endl;  
    }  
    ~Test() {  
        cout << "这是析构" << endl;  
        delete m_num;  
    }  
    int *m_num;  
};  
  
Test getObj() {  
    Test t;  
    return t;   // 临时对象的返回
}  
  
int main() {  
    Test t = getObj();
    // 执行结果是如果没写移动构造，就会调用一次默认构造，拷贝构造，两次析构
    // 写右值引用的构造，就会调用一次默认构造，移动构造，两次析构
    // = 就是调用的移动构造或者拷贝构造
    
    Test t1;
    Test t2 = t1; 
    // 执行结果是调用一次默认构造，拷贝构造，两次析构
    // 因为 t1 不是临时对象，临时对象是指在执行当前语句后就结束了，空间就释放了
}

在移动构造和拷贝构造都在的时候，就会判断 = 右边的是否是临时对象，是临时对象就调用移动构造，不是就是拷贝构造
编译器对于函数返回临时对象，输出结果如果不是上述分析，而是只有默认构造和一次析构，这是因为编译器做的返回值优化
当一个函数返回一个局部对象时，编译器可以直接在调用者提供的内存空间中构造这个对象，而不是先在被调用的函数内构造对象然后再拷贝回调用者，这种优化避免了不必要的对象拷贝
虽然编译器做了优化，但是调用过程还需知晓

// 续接上
Test &&t1 = getObj();
printf("m_num 地址: %p\n", t1.m_num);  
Test t2 = getObj();
printf("m_num 地址: %p\n", t2.m_num);

会发现地址一样，说明提供了移动构造函数的临时对象的右值引用有两种写法，可以直接赋值，也可以右值引用
如果没有实现移动构造函数，这两种写法都是拷贝构造

// 如果没有移动构造函数，要求更高
// 要求右侧是一个临时的不能取地址的对象
// 测试时把移动构造注释掉
Test getObj1() {
    return Test();
}
Test &&t3 = getObj1();
printf("m_num 地址: %p\n", t3.m_num);  
// 会发现是正确的，两个地址

// 这两种方式（有和无移动构造函数）不同，第一种是占用了 (具体实现的要占用的堆内存空间)，进行管理
// 第二种是使用对象里所有资源

// 更明确的书写方式
Test&& getObj2() {
    return Test();
}
Test &&t4 = getObj2();

第二种即使没有移动构造函数也能实现，是因为编译器提供默认的移动构造函数但是如果手动实现了移动构造函数，会优先调用手动实现的

&& 特性

T&& 和 auto&& 都是未定义类型，需要推导， const T&& 一定是右值引用

template<typename T>
void f(T&& param);
void f1(const T&& param);
f(10); 	     // T&& 表示右值引用
int x = 10;  
f(x);        // T&& 表示左值引用
f1(x);	    // error, 因为 x 是左值
f1(10);     // ok, 因为 10 是右值

int x = 520, y = 1314;
auto&& v1 = x;           // auto && 表示左值引用
auto&& v2 = 250;        // auto && 表示右值引用
decltype(x)&& v3 = y;   // 错误，因为等号左边是右值引用，右边是左值

int&& a1 = 5;
auto&& bb = a1;         // 左值引用
auto&& bb1 = 5;         // 右值引用

int a2 = 5;
int &a3 = a2;
auto&& cc = a3;         // 左值引用
auto&& cc1 = a2;        // 左值引用

const int& s1 = 100;
const int&& s2 = 100;
auto&& dd = s1;         // 常量左值引用，要加 const
auto&& ee = s2;         // 常量左值引用，要加 const
const auto&& x = 5;     // 常量右值引用

auto 要满足是右值引用，等号右边只能是右值，比如常数，其他的所有引用型都不能推导出右值引用 —> 左值引用

1
2
3

int &&a = 10;
auto&& b = a;         // 左值引用
int && b = a;          // 报错，编译器认为不匹配

总结

左值和右值是独立于他们的类型的，右值引用类型可能是左值也可能是右值
编译器会将已命名的右值引用视为左值，将未命名的右值引用视为右值

转移和完美转发

move

使用 std::move() 方法可以将左值转换为右值，使用这个函数并不能移动任何东西，而是和移动构造函数一样都具有移动语义，将对象的状态或者所有权从一个对象转移到另一个对象，只是转移，没有内存拷贝。

// 函数原型
template<class _Ty>
_NODISCARD constexpr remove_reference_t<_Ty>&& move(_Ty&& _Arg) _NOEXCEPT
{	// forward _Arg as movable
    return (static_cast<remove_reference_t<_Ty>&&>(_Arg));
}

list<string> ls;
ls.push_back("hello");
ls.push_back("world");

list<string> ls1 = ls;        // 需要拷贝, 效率低
list<string> ls2 = move(ls);
list<string> &&ls3 = move(ls);

这两种方式都可以
第一种方式是 move 先将其转换为右值引用，然后 ls2 调用移动构造函数，将 ls 的所有内容所有权转移给 ls2
第二种方式则是直接用右值引用，持有 ls 的全部资源
如果你需要一个新的对象来拥有原对象的资源，使用 list<string> ls2 = move(ls);
如果你需要一个右值引用来延续原对象的资源（比如为了传递给另一个函数），使用 list<string> &&ls3 = move(ls)

forward

右值引用类型是独立于值的，一个右值引用作为函数参数的形参时，在函数内部转发该参数给内部其他函数时，它就变成一个左值，并不是原来的类型了。如果需要按照参数原来的类型转发到另一个函数，可以使用 C++11 提供的 std::forward() 函数，该函数实现的功能称之为完美转发。

// 函数原型
template <class T> T&& forward (typename remove_reference<T>::type& t) noexcept;
template <class T> T&& forward (typename remove_reference<T>::type&& t) noexcept;

// 精简之后的样子
std::forward<T>(t);

当 T 为左值引用类型 时，t 将被转换为 T 类型的 左值
当 T 不是左值引用类型 时，t 将被转换为 T 类型的 右值

template<typename T>
void printValue(T& t) {
    cout << "l-value: " << t << endl;
}

template<typename T>
void printValue(T&& t) {
    cout << "r-value: " << t << endl;
}

template<typename T>
void testForward(T && v) {
    printValue(v);
    printValue(move(v));
    printValue(forward<T>(v));
    cout << endl;
}

int main()
{
    testForward(520);
    int num = 1314;
    testForward(num);
    testForward(forward<int>(num));   // 传进去的推导为右值引用，因为不是左值引用，是 int
    testForward(forward<int&>(num));  // 传进去的推导为左值引用，因为是左值引用
    testForward(forward<int&&>(num)); // 传进去的推导为右值引用，因为是右值引用
}

// 输出结果
l-value: 520
r-value: 520
r-value: 520

l-value: 1314
r-value: 1314
l-value: 1314

l-value: 1314
r-value: 1314
r-value: 1314

l-value: 1314
r-value: 1314
l-value: 1314

l-value: 1314
r-value: 1314
r-value: 1314