【C++】C++ 右值 相关常见问题
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C++ 11 关于右值相关概念：
在 C++ 中，右值是指仅作为表达式的值使用的变量或表达式。
右值有两种类型：纯右值（prvalue）和将亡值（xvalue）。
纯右值是指不含有任何附加信息的表达式。例如，1+2 这个表达式的结果是一个整数常量，它是一个纯右值。
将亡值是指表达式的值虽然是右值，但它是即将被销毁或已经失去身份的对象。常见的例子是 std::move 返回的对象。
右值引用是将亡值的重要应用之一。使用右值引用可以将将亡值的所有权转移给函数，在函数执行后将对象销毁。
C++11 还引入了移动语义，它允许在复制对象时使用右值引用，这可以避免不必要的内存分配和复制操作，提高程序性能。
1.介绍一下左值引用和右值引用
传统的C++语法中就有引用 & 的用法，而C++11中新增了右值引用语法特性，所以我们之前学习的引用都叫做左值引用。无论左值引用还是右值引用，都是给对象取别名。
1.1左值和左值引用
**左值**是一个表示数据的表达式(如变量名或解引用的指针)，我们可以获取它的地址+可以对它赋值，左值可以出现赋值符号的左边，右值不能出现在赋值符号左边。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。
**左值引用**就是给左值的引用，给左值取别名。
int main()
{
/*常见不同类型的左值*/
int* p = new int(0);
int b = 1;
const int c = 2;
/*左值引用*/
int*& rp = p;
int& rb = b;
const int& rc = c;
int& pvalue = *p;
return 0;
}
1.2右值和右值引用
**右值**也是一个表示数据的表达式，如：字面常量、表达式返回值，函数返回值(这个不能是左值引用返回)等等，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。
**右值引用**就是对右值的引用，给右值取别名。
int main()
{
double x = 1.1, y = 2.2;//左值
//以下是常见的右值
10;
x + y;
fmin(x, y);
//以下是右值引用
int&& rr1 = 10;
double&& rr2 = x + y;
double&& rr3 = fmin(x, y);
return 0;
}
说明一下：左操作数必须为左值
需要注意的是右值是不能取地址的，但是给右值取别名后，会导致右值被存储到特定位置，且可以取到该位置的地址，也就是说例如：不能取字面量10的地址，但是rr1引用后，可以对rr1取地址，也可以修改rr1。如果不想rr1被修改，可以用const int&& rr1 去引用，是不是感觉很神奇， 这个了解一下实际中右值引用的使用场景并不在于此，这个特性也不重要。
int main()
{
double x = 1.1, y = 2.2;
int&& rr1 = 10;
const double&& rr2 = x + y;
rr1 = 20;
rr2 = 5.5;//会报错 因为rr2是const修饰的
return 0;
}
2.左值引用与右值引用比较
左值引用总结:
- 左值引用只能引用左值，不能引用右值。
- 但是const左值引用既可以引用左值，也可以引用右值
右值引用总结:
- 右值引用只能引用右值，不能引用左值
- 但是右值引用可以引用move以后的左值
3.左值引用的使用场景
做参数和做返回值都可以提高效率。
void func1(std::string s)
{}
void func2(const std::string& s)
{}
int main()
{
string s1("hello world");
// func1和func2的调用我们可以看到左值引用做参数减少了拷贝，提高效率的使用场景和价值
func1(s1);
func2(s1);
// string operator+=(char ch) 传值返回存在深拷贝
// string& operator+=(char ch) 传左值引用没有拷贝提高了效率
s1 += '!';
return 0;
}
左值引用的短板
但是当函数返回对象是一个局部变量，出了函数作用域就不存在了，就不能使用左值引用返回， 只能传值返回。例如：string to_string(int value)函数中可以看到，这里只能使用传值返回， 传值返回会导致至少1次拷贝构造(如果是一些旧一点的编译器可能是两次拷贝构造)。
namespace bit
{
lxy::string to_string(int value)
{
bool flag = true;
if (value < 0)
{
flag = false;
value = 0 - value;
}
lxy::string str;
while (value > 0)
{
int x = value % 10;
value /= 10;
str += ('0' + x);
}
if (flag == false)
{
str += '-';
}
std::reverse(str.begin(), str.end());
return str;
}
}
int main()
{
// 在bit::string to_string(int value)函数中可以看到，这里
// 只能使用传值返回，传值返回会导致至少1次拷贝构造(如果是一些旧一点的编译器可能是两次拷贝构造)。
lxy::string ret1 = bit::to_string(1234);
lxy::string ret2 = bit::to_string(-1234);
return 0;
}
说明一下：我模拟实现的 string模拟实现
右值引用和移动语义解决上述问题：
在lxy::string中增加移动构造，移动构造本质是将参数右值的资源窃取过来，占位已有，那么就不 用做深拷贝了，所以它叫做移动构造，就是窃取别人的资源来构造自己。
// 移动构造
string(string&& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动语义" << endl;
swap(s);
}
现在在运行这行代码：我们会发现，这里没有调用深拷贝的拷贝构造，而是调用了移动构造，移动构造中没有新开空间，拷贝数据，所以效率提高了。
int main()
{
lxy::string ret2 = bit::to_string(-1234);
return 0;
}
不仅仅有移动构造，还有移动赋值
在lxy::string类中增加移动赋值函数，再去调用bit::to_string(1234)，不过这次是将bit::to_string(1234)返回的右值对象赋值给ret1对象，这时调用的是移动构造。
让我们运行这行代码：
int main()
{
lxy::string ret1;
ret1 = bit::to_string(1234);
return 0;
}
// 运行结果：
// string(string&& s) -- 移动语义
// string& operator=(string&& s) -- 移动语义
这里运行后，我们看到调用了一次移动构造和一次移动赋值。因为如果是用一个已经存在的对象 接收，编译器就没办法优化了。bit::to_string函数中会先用str生成构造生成一个临时对象，但是 我们可以看到，编译器很聪明的在这里把str识别成了右值，调用了移动构造。然后在把这个临时 对象做为bit::to_string函数调用的返回值赋值给ret1，这里调用的移动赋值。
**STL中的容器都是增加了移动构造和移动赋值: **
string : http://www.cplusplus.com/reference/string/string/string/
string (string&& str) noexcept;
vector : cplusplus.com/reference/vector/vector/vector/
vector (vector&& x);vector (vector&& x, const allocator_type& alloc);
4. move语义
move 本意为 “移动”，但该函数并不能移动任何数据，它的功能很简单，就是将某个左值强制转化为右值。基于 move() 函数特殊的功能，其常用于实现移动语义。move() 函数的用法也很简单，其语法格式如下：
move( arg ) //其中，arg 表示指定的左值对象。该函数会返回 arg 对象的右值形式。
有些场景下，可能真的需要用右值去引用左值实现移动语义。当需要用右值引用引用一个左值时，可以通过move函数将左值转化为右值。C++11中，std::move()函数位于头文件中，该函数名字具有迷惑性， 它并不搬移任何东西，唯一的功能就是将一个左值强制转化为右值引用，然后实现移动语义。
int main()
{
lxy::string s1("hello");
lxy::string s2(s1);
lxy::string s3(std::move(s1)); // string(string&& s) -- 资源转移
return 0;
}
STL容器插入接口函数也增加了右值引用版本：
list: push_back() www.cplusplus.com/reference/list/list/push_back/
vector push_back() cplusplus.com/reference/vector/vector/push_back/
5.完美转发
模板中的 && 万能引用
- 模板中的
&&不代表右值引用，而是万能引用，其既能接受左值又能接受右值。 - 模板的万能引用只是提供了能够同时接受左值引用和右值引用的能力。
- 但是引用类型的唯一作用就是限制了接受的类型，后续使用中都退化成了左值
- 因此我们希望能够在传递过程中保持它的左值或者右值的属性，就需要我们使用完美转发
下面这段代码就是模板的万能引用导致参数退化成左值：
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 PerfectForward(T&& t)
{
Fun(t);
}
int main()
{
PerfectForward(10); // 右值
int a;
PerfectForward(a); // 左值
PerfectForward(std::move(a)); // 右值
const int b = 8;
PerfectForward(b); // const 左值
PerfectForward(std::move(b)); // const 右值
return 0;
}
输出结果均为：左值
至此：我们验证了模板的参数中万能引用会导致参数类型退化成左值
解决：使用完美转发。 为了保持原有的属性，我们在传入参数的地方调用std::forward()函数
std::forward(): 完美转发在传参的过程中保留对象原生类型属性
我们再把上述代码Fun(t)修改为Fun(std::forward<T>(t));
问题得以解决。
完美转发实际中的使用场景：
STL引入完美转发，解决插入右值退化成左值的问题。
此处以list为例,写一个小demo:
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode* _next = nullptr;
ListNode* _prev = nullptr;
T _data;
};
template<class T>
class List
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
List()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
void PushBack(T&& x)
{
//Insert(_head, x);
Insert(_head, std::forward<T>(x));
}
void PushFront(T&& x)
{
//Insert(_head->_next, x);
Insert(_head->_next, std::forward<T>(x));
}
void Insert(Node* pos, T&& x)
{
Node* prev = pos->_prev;
Node* newnode = new Node;
newnode->_data = std::forward<T>(x); // 关键位置
// prev newnode pos
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = pos;
pos->_prev = newnode;
}
void Insert(Node* pos, const T& x)
{
Node* prev = pos->_prev;
Node* newnode = new Node;
newnode->_data = x; // 关键位置
// prev newnode pos
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = pos;
pos->_prev = newnode;
}
private:
Node* _head;
};
int main()
{
List<lxy::string> lt;
lt.PushBack("1111");
lt.PushFront("2222");
return 0;
}
(本篇完)