C++ 11的右值引用

目录

• 一、问题导入
• 二、右值和右值引用
  • 2.1 左值(lvalue)和右值(rvalue)
  • 2.2 左值引用和右值引用
• 总结
• 参考资料

C++11 引入了 std::move 语义、右值引用、移动构造和完美转发这些特性。由于这部分篇幅比较长，分为3篇来进行阐述。

在了解这些特性之前，我们先来引入一些问题。

一、问题导入

1. 函数返回值是传值的时候发生几次对象构造、几次拷贝？
2. 函数的形参是值传递的时候发生几次对象构造？

让我们先来看一段代码，

// main.cpp
#include <iostream>
using namespace  std;

class A{
public:
   A(){
      cout<<"class A construct!"<<endl;
   }
   A(const A&){
      cout<<"class A copy!"<<endl;
   }
   A& operator=(const A&){
      cout<<"assignment called!"<<endl;
   }
   ~A(){
      cout<<"class A destruct!"<<endl;
   }
};

A get_A_value(){
    return A();
}
int main(){
    A a = get_A_value();
    return 0;
}

使用 g++ 编译；注意使用 -fno-elide-constructors关闭省略构造优化

g++ main.cpp -fno-elide-constructors

可以得到以下输出

class A construct!
class A destruct!
class A copy!
class A destruct!
class A destruct!

可以看到A a=get_A_value(); 一行代码居然产生1次对象构造和2次对象的拷贝构造！具体为

• 1. 在 get_A_value() 里 A() 构造了临时对象，发生了一次构造；
• 1. 函数返回的时候会把临时对象拷贝后作为返回值，发生一次拷贝；
• 1. A a = 函数返回值发生了拷贝构造。

如果使用编译器优化（默认）, 则会把临时对象拷贝的那次 和 用返回值构造最终对象的拷贝的给省略了；也即，只有一次拷贝和析构。

class A construct!
class A destruct!

如果把上面代码改一下

// ... A

void pass_A_by_value(A a){

}
int main(){
    A a;
    pass_A_by_value(a);
    return 0;
}

在去掉优化 g++ main.cpp -fno-elide-constructors时输出为

class A construct!
class A copy!
class A destruct!
class A destruct!

1次构造加上1次拷贝。

因此，下次如果面试的时候有人问这个问题，你就可以说：默认情况下经过编译器优化后临时对象的拷贝就会被省去，如果使用 -fno-elide-constructors 省略优化，则还要考虑临时对象的拷贝。

事实上，在未经优化的情况下，以下时候拷贝构造函数会被调用：

1. 函数内的局部对象做为返回值返回(不是引用)的时候会发生拷贝（拷贝为临时对象返回）
2. 函数形参为传值的时候，会发生拷贝构造
3. 一个对象以另外一个对象进行初始化的时候

对象的频繁构造是程序的开销，特别是当对象内部有堆上内存（比如有 new 出来的成员）的时候，每次拷贝构造的时候都需要用 new 申请一块内存，造成性能的降低。对于情况2，好习惯是如果函数参数是只读的（也即不会在程序内进行修改），传引用作为参数，也即 pass_A_by_refrence(const A &a); 对于情况1，编译器会为我们进行优化; 对于情况3，C++11 引入了一种移动构造函数的概念，它将获取**右值引用*,右值的“资源” move 到新对象中，这个过程中不会申请新的内存，从而达到提高了效率和性能。

所以，要理解些关键词 “移动构造”、“移动语义” ，首先要理解右值和右值引用。

二、右值和右值引用

2.1 左值(lvalue)和右值(rvalue)

在 一、问题导入 里我们提到了临时对象，也即函数返回值的时候只会“临时”存在的对象（运行超过那一行就会结束它的生存期），这个临时返回值就是一个右值；

右值的最直观的定义为，顾名思义：

位于赋值运算符 = 右边的值，为右值；在左边的则为左值

如

A a = foo(); // foo() 为右值
char *x = "thu"; // “thu”为字面值也为右值
a = b + c; // b + c这个结果也是一个右值

在C++中，还有个定义为：

左值可以取得地址、有名字； 不可以取得地址、没有名字的为右值。

所以 A a = foo()可以用 &a取得a的地址，a 是左值，然是不能取得 foo()的地址，（&foo()）无法通过编译， foo()返回的临时对象也是没有名字的，所以是右值。

在C++11中，右值包括两种，一中是将亡值(xvalue, eXpiring Value)，一种是纯右值(prvalue,Pure Rvalue)[1]。函数非引用返回的临时对象、运算表达式的结果、1, 3.14,'c'这样的字面值等都属于纯右值。而xvalue则是由 C++11引入的 如返回值为 A&& 的函数返回值或者std::move()的返回值等。

不深究的话，我们只需要知道左值和右值的区别就行了。对于右值的详细分类则不必深究。

2.2 左值引用和右值引用

1. 左值引用就是一般的引用，一般用一个&表示，例如

const A &a_ref = a; // 取得对象 a 的引用

左值引用相当于别名，指向一个具体的对象。

1. 右值引用
   
   右值引用顾名思义，就是右值的引用， 用 &&表示；

A &&r_ref = getRvalue(); // r_ref 是一个右值引用

右值引用也相当于别名，与左值的区别为右值引用是无名变量的别名。

getRvalue() 是一个返回右值的函数，右值在这一句执行完就该结束他的生存期了，如果是对象就该调用析构函数了；但是右值引用让它强行续命；使用右值引用指向右值，右值的生存期和右值引用一样长了，这也就少一次对象的析构和构造了。

C++的右值引用主要有两个用处，一个是移动语义，一个是完美转发。这个将在接下来的两篇来讲。

总结

为了导入右值和移动语义，首先复习了以下临时对象在函数返回值和传参数时构造了几次；然后对比介绍了左值和右值，以及右值引用的形式和含义。为移动语义和完美转发的介绍做铺垫。

参考资料

1. Michale Wang| IBM XL 编译器中国 《深入理解C++11》, 机械工业出版社