C++入门——“C++11-右值引用和移动语义”

        C++11相比于C++98增加以许多新特性，让C++语言更加灵活好用，但是貌似也增加了许多学习的难度，现在先看第一部分。

        一、右值引用和移动语义

        1.右值引用和左值引用

        在C++中，值可以大致分为右值和左值，左值大概是哪些已经被定义的变量或者对象，它一般具有持久性，它可以出现在赋值符号的左边，也可以出现在赋值符号的右边；右值一般指的是临时变量、字面常量等等。一般来说，区分左右值的方法可以用是否可以取地址来判断：左值可以取地址，右值不可以被取地址。

        下面让我们简单看一段代码吧：

void Func(int& a)
{cout << "左值引用" << endl;
}void Func(int&& a)
{cout << "右值引用" << endl;
}int main()
{int a = 1;Func(1);Func(a);return 0;
}

        其中，a是一个普通变量，为左值，而1是一个字面常量，为右值，那么最后的输出结果因该是“右值引用”、“左值引用”。让我们看一看结果：

       2.右值引用引用左值和左值引用引用右值

        右值可以被左值引用引用，因为右值一般具有常性，所以可以通过在左值引用前加上“const”来使得左值引用可以引用右值；而右值引用引用左值则需要使用“move”函数来改变左值的属性。

int main()
{int a = 2;const int& L = 1;int&& R = move(a);cout << L << endl << R << endl;return 0;
}

3.右值引用存在的意义

a.延长临时对象的生命周期

        右值引用可以延长临时对象的生命周期比如：

int main()
{string("123456789");return 0;
}

        此代码中，string的生命周期仅限于这一行，倘若使用右值引用来引用，那么就可以延长它的生命周期：

int main()
{string&& S = string("123456789");cout << S << endl;return 0;
}

        同样的，表达式相加的临时对象，函数返回时的临时对象，都可以使用右值引用来延长它的生命周期。

b.移动语义

        当然了，右值引用存在的意义可不是为了简单的延长生命周期，而是为了转移临时对象的数据，这使得数据的转移更加高效和安全，这也正是移动语义的的机制。在此之前还需要了解的是虽然右值是不可以被改变，但是右值引用是具有左值属性的，也就是说，被右值引用引用的右值是可以被修改的。

        拿拷贝构造来说，我们会将它的它的参数写为const类型的，在保证不修改实参的情况下，还能够接收右值。但是无论是左值还是右值，在有资源的情况下需要进行大量的复制行为，特别是在右值的情况下（因为右值的生命周期即将结束，还得进行一次复制，这样会造成效率的低下）。为了解决这个问题，这个时候就需要介绍一下移动构造和移动赋值了。

        移动构造和移动赋值旨在将临时对象（右值）的资源转移到我们的类中，由于右值的生命周期即将结束，秉承着趁你病要你命的原则，我是可以在虚弱的时候掠夺你的资源。这个时候我就可以直接把我的没用的东西和你的资源进行交换，这样做的效率可不是一般的高，因为避免了大量的数据拷贝。

        移动构造和移动赋值同普通的构造和赋值函数一样，只是参数变为了右值，并且函数内部进行资源的互换。

        就用我们的自己写的string类为例。（此处在linux环境下测试，因为VS的编译器会进行优化）

#pragma once
#include<iostream>using namespace std;namespace Mynamespace
{class string{friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Mynamespace::string& s);friend istream& operator>>(istream& _cin, Mynamespace::string& s);public:typedef char* iterator;public:string(const char* str = ""){_str = new char[strlen(str)+1];char* der = _str;const char* sour = str;while (*sour != '\0'){*(der++) = *(sour++);}*der = '\0';_size = strlen(str);_capacity = _size;}string(const string& s){_str = new char[s._capacity];char* der = _str;const char* sour = s._str;while (*sour != '\0'){*(der++) = *(sour++);}*der = '\0';_size = s._size;_capacity = s._capacity;}string(string&&  s){cout << "string(string&& s) 移动构造" << endl;swap(s);}~string(){delete[] _str;_capacity = 0;_size = 0;}string& operator=(const string& s){delete[] _str;_str = new char[strlen(s._str) + 1];char* der = _str;const char* sour = s._str;while (*sour != '\0'){*(der++) = *(sour++);}*der = '\0';_size = s._size;_capacity = s._capacity;return *this;}// 移动赋值string& operator=(string&& s){cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;swap(s);return *this;}//// iteratortypedef char* iterator;iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}/// modifyvoid push_back(char c);string& operator+=(char c);void append(const char* str);string& operator+=(const char* str);void clear();void swap(string& s);const char* c_str()const;/// capacitysize_t size()const;size_t capacity()const;bool empty()const;void resize(size_t n, char c = '\0');void reserve(size_t n);/// accesschar& operator[](size_t index);const char& operator[](size_t index)const;///relational operatorsbool operator<(const string& s){return strcmp(_str, s._str) < 0;}bool operator<=(const string& s){return *this < s || *this == s;}bool operator>(const string& s){return !(*this <= s);}bool operator>=(const string& s){return !(*this < s);}bool operator==(const string& s){return strcmp(_str, s._str) == 0;}bool operator!=(const string& s){return !(*this == s);}// 返回c在string中第一次出现的位置size_t find(char c, size_t pos = 0) const;// 返回子串s在string中第一次出现的位置size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const;// 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置string& insert(size_t pos, char c);string& insert(size_t pos, const char* str);// 删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置string& erase(size_t pos, size_t len);private:char* _str;size_t _capacity;size_t _size;static const size_t npos = -1;};
}

int main()
{Mynamespace::string mystring1 = Mynamespace::string("123456789");return 0;
}

        可能是编译器的版本的问题，在我的linux环境中，以上代码即使关闭了优化，也仍然进行直接构造而不是构造+移动构造：

cx@Ubuntu-Linux:~/study$ g++ test.cpp -fno-elide-constructors
cx@Ubuntu-Linux:~/study$ ./a.outstring(const char* str )

        有条件的小伙伴可以自己试一试，其中“-fno-elide-constructors”或者“-O0”可以关闭优化。

所以这里先测试一下移动赋值：

int main()
{Mynamespace::string mystring1;mystring1  = Mynamespace::string("123456789");return 0;
}

cx@Ubuntu-Linux:~/study$ g++ test.cpp -fno-elide-constructors
cx@Ubuntu-Linux:~/study$ ./a.outstring(const char* str )string(const char* str )
string& operator=(string&& s)

          可以看到最后调用了一次移动赋值。

二、引用折叠

        在C++11中，新增加了引用折叠的特性，引用折叠针对的是引用的引用，但是不可以显式的写出来引用的引用，比如：

int main()
{int a;int&& & b = a;return 0;
}

        但是可以隐式的引用（typedef后的引用）：

int main()
{typedef int& L;typedef int&& R;int a;L& b = a;R& c = a;R&& d = 1;L&& e = a;return 0;
}

        引用折叠理解起来有点像与门，在这里，左值引用代表着0，右值引用代表着1，当左值引用右值引用同时存在的时候就是左值引用，只有当两个引用都为右值的时候才为右值引用。

        就拿以上代码为例    L& b = a; 里，b的类型为int&，    R& c = a; 里，c的类型为int&，R&& d = 1;  里，d 的类型为int&&，    L&& e = a; 里 e为左值。

        1.万能引用

        引用折叠的用途在哪里呢？实际上，它可以用来在函数模板中实现万能引用。请看以下函数模板：

template <class T>
void func(T&& n)
{cout << "void func(int&& n)" << endl;
}

int main()
{int a = 1;func(1);func(a);return 0;
}

        已知字面常量1是一个右值，变量a是一个左值，由于引用折叠，第一次调用的是右值引用版本的func，第二次是左值引用的func。最后的运行结果如下：

        这样可以用一个模板实现左值引用和右值引用的两个版本。

        2.完美转发

        先看以下代码：

void F(int& a)
{cout << "左值引用" << endl;}
void F(int&& a)
{cout << "右值引用" << endl;}
void F(const int& a)
{cout << "左值引用" << endl;
}template <class T>
void func(T&& n)
{F(n);
}int main()
{int a = 1;func(a);func(2);return 0;
}

        我们想要的输出结果是“左值引用”、“右值引用”，那么先看一下运行结果：

        哎。为什么是两个左值引用呢？

        由于右值引用的属性为左值，当我们想连续传递一个右值的时候，在第一次传递后，这个值就已经变为左值属性了，为了解决这个问题，C++11引入了完美转发，它的目得是为了在右值连续传递的过程中不改变右值的属性。

        完美转发的本质是一个函数模板forward，它的底层是一个强转（左值引用和右值引用的本质还是指针，只是在语义上不同）。它的用法是在传递参数的地方加上模板的类型，后边紧接着参数是传递的值：

void F(int& a)
{cout << "左值引用" << endl;}
void F(int&& a)
{cout << "右值引用" << endl;}
void F(const int& a)
{cout << "左值引用" << endl;
}template <class T>
void func(T&& n)
{F(forward<T>(n));
}int main()
{int a = 1;func(a);func(2);return 0;
}

        运行结果：

        我们可以分析一下：

        a.传递的参数为a的时候，a为左值，func发生了引用折叠，编译器推导出T为int&，那么forward强转n为左值并返回。

        b.传递的参数为字面常量1的时候，1为右值，func没有发生引用折叠，编译器推导出T为int&&，那么forward强转n为右值并返回。

        总的来说，完美转发就是根据T的类型来推导最后返回的类型，如果T是右值，那么最后返回的就是右值属性的对象，如果T为左值，那么最后返回的就是左值属性的对象。