C++左值与右值,右值引用,移动语义与完美转发详解

C++——左值与右值、右值引用、移动语义与完美转发

在C++或者C语言中，一个表达式（可以是字面量、变量、对象、函数的返回值等）根据其使用场景不同，分为左值表达式和右值表达式。

一、左值和右值的定义

1.左值的英文为locator value，简写为lvalue，可意为存储在内存中、有明确存储地址（可寻址）的数据

2.右值的英文为read value，简写为rvalue，指的是那些可以提供数据值的数据（不一定可寻址，例如存储与寄存器中的数据）

二、如何判断一个表达式是左值还是右值（大多数场景）

1.可位于赋值号（=）左侧的表达式就是左值；反之，只能位于赋值号右侧的表达式就是右值。例如：

int a = 5;

其中，变量a就是一个左值，而字面量5就是一个右值。

注：C++中的左值可以当作右值使用，反之则不行，如

int b = 10; //b是一个左值
a = b; //a、b都是左值，只不过b可以当作右值使用
10 = b; //错误，10是一个右值，不能当作左值使用

2.有名称的、可以获取到存储地址的表达式即为左值；反之则为右值

以上面定义的变量a、b为例，a和b是变量名，则通过&a和&b可以获得他们的存储地址，因此a和b都是左值；反之，字面量5、10，它们既没有名称，也无法获取其存储地址（字面量通常存储在寄存器中，或者和代码存储在一起），因此5、10都是右值

三、C++右值引用

C++ 98/03标准中就有引用，但这里的引用只能操作左值，无法对右值添加引用，故被称为左值引用，例如：

int num = 10;
int &b = num; //正确
int &c = 10; //错误

注意，虽然C++ 98/03标准不支持为右值建立非常量左值引用，但允许使用常量左值引用操作右值。即，常量左值引用既可以操作左值，也可以操作右值，例如：

int num = 10;
const int &b = num; //正确
const int &c = 10; //正确

为什么需要右值引用？

右值往往是没有名称的，因此要使用它只能借助引用的方式。这就产生一个问题，实际开发中我们可能需要对右值进行修改（如实现移动语义时），而是用常量左值引用的方式是无法做到这一点的。

为此，C++11新标准引入了另一种引用方式，成为右值引用，用&&表示

需要注意的是，和声明左值引用一样，右值引用也必须立即进行初始化操作，且只能使用右值进行初始化，比如：

int num = 10;
int &&a = num; //错误，右值引用不能初始化为左值
int &&a = 10; //正确

和常量左值引用不同的是，右值引用还可以对右值进行修改。例如：

int &&a = 10;
a = 100; //正确

另外，C++语法上是支持定义常量右值引用的，例如：

const int&& a = 10;

但这种定义出来的右值引用并无实际用处。一方面，右值引用主要用于移动语义和完美转发，其中前者需要有修改右值的权限；其次，常量右值引用的作用就是引用一个不可修改的右值，而这项工作常量左值引用就可以完成

四、std::move()与移动语义

C++11标准中，借助右值引用可以为指定类添加移动构造函数，这样当使用该类的右值对象（可以理解为临时对象）初始化同类对象时，编译器会优先选择移动构造函数。

注：移动构造函数的调用时机是：用同类的右值对象初始化新对象。那么当用此类的左值对象（有名称，能获取其存储地址的实例对象）初始化同类对象时，如何调用移动构造函数呢？C++11给出的解决方案就是调用std::move()函数。

虽然move是移动的意思，但是该函数并不移动任何数据，它的功能是将某个左值强制转化为右值，常用于实现移动语义

用法示例：

#include<iostream>
#include<utility>
using namespace std;
class movedemo
{
public:
    movedemo():num(new int(0)) {
        cout << "construct!" << endl;
    }
    //copy constructor
    movedemo(const movedemo &d):num(new int(*d.num)) {
        cout << "copy constrct!" << endl;
    }
    //move constructor
    movedemo(movedemo &&d):num(d.num) {
        d.num = NULL;
        cout << "move construct!" << endl;
    }
private:
    int *num;
};
int main() 
{
    movedemo demo;
    cout << "demo2:\n";
    movedemo demo2 = demo;
    cout << "demo3:\n";
    movedemo demo3 = std::move(demo);//执行完之后demo.num会置为空
    return 0;
}

程序运行结果：

construct!demo2:copy constrct!demo3:move construct!

通过观察程序的输出结果，以及对比 demo2 和 demo3 初始化操作不难得知，demo 对象作为左值，直接用于初始化 demo2 对象，其底层调用的是拷贝构造函数；而通过调用 move() 函数可以得到 demo 对象的右值形式，用其初始化 demo3 对象，编译器会优先调用移动构造函数。

五、完美转发

什么是完美转发？

它指的是函数模板可以将自己的参数“完美”地转发给内部调用的其他函数。所谓完美，即不仅能准确地转发参数的值，还能保证被转发参数的左、右值属性不变

举个栗子:

template<typename T>void function(T t) {	otherdef(t);}

如上所示，function()函数模板中调用了otherdef()函数。在此基础上，完美转发指的是：如果function()函数接收到的参数t为左值，那么该函数传递给otherdef()的参数t也是左值；反之如果function()函数接收到的参数t为右值，那么传递给otherdef()函数的参数t也必须为右值。

显然，上面这个例子中，function()函数模板并没有实现完美转发。一方面，参数t为非引用类型，这意味着在调用function()函数时，实参将值传递给形参的过程就需要额外进行一次拷贝操作；另一方面，无论调用function()函数模板时传递给参数t的是左值还是右值，对于函数内部的参数t来说，它有自己的名称，也可以获取它的存储地址，因此它永远都是左值，即传递给otherdef()函数的参数t永远都是左值。总之，无论从哪个角度看，function()函数的定义都不“完美”。

为什么需要完美转发？

C++11新标准中引入了右值引用和移动语义，因此很多场景中是否实现完美转发，直接决定了该参数的传递过程使用的是拷贝语义（调用拷贝构造函数）还是移动语义（调用移动构造函数）

如何实现完美转发？

C++98/03标准：由于没有右值引用，只能通过重载函数模板（可通过常量左值引用传递右值）的方式实现转发，且这种方式存在弊端，如：此实现方式只适用于模板函数仅有少量参数的情况，否则就需要编写大量的重载函数模板，造成代码的冗余。

为了方便用户更快速地实现完美转发，C++11标准中允许在函数模板中使用右值引用来实现完美转发

C++11标准中规定，通常情况下右值引用形式的参数只能接收右值，不能接收左值。但对于函数模板中使用右值引用语法定义的参数来说，它不再遵守这一规定，既可以接收右值，也可以接收左值（此时的右值引用又被称为“万能引用”）

仍以function()函数为例，在C++11标准中实现完美转发，只需编写如下一个模板函数即可：

template<typename T>void function(T &&t) {otherdef(t);}

此模板函数的参数t既可以接收左值，也可以接收右值。但仅仅使用右值引用作为函数模板的参数是远远不够的，还有一个问题需要解决，即如果调用function()函数时为其传递一个左值引用或右值引用的实参，如下所示：

int n = 10;
int &num = n;
function(num); //T为int &int &&num2 = 11;function(num2); //T为int &&

其中由function(num)实例化的函数底层就变成了function(int& &&t)，而由function(num2)实例化的函数底层则变成了function(int&& &&t)。C++98是不支持这种语法的，而C++11为了更好地实现完美转发，专门为其指定了新的类型匹配规则，又称为引用折叠规则（假设A表示实际传递参数的类型）：

当实参为左值或左值引用（A&）时，函数模板中T&&将转变为A&（A& && = A&）；
当实参为右值或右值引用（A&&）时，函数模板中T&&将转变为A&&（A&& && = A&&）；

上述规则的含义是：在实现完美转发时，只要函数模板的参数类型为T&&，则C++可以自行准确地判定实际传入的实参是左值还是右值

通过将函数模板的形参类型设置为T&&，我们可以很好地解决接收左、右值的问题。但除此之外，还需要解决一个问题，即无论传入的形参是左值还是右值，对于函数模板内部来说，形参既有名称又能寻址，因此它都是左值。那么如何才能将函数模板接收到的形参连同其左、右值属性，一起传递给被调用的函数呢？

答案就是使用C++11提供的模板函数forward()，注意其和move的区别是forward要通过显式模板实参来使用

用法示例：

#include <iostream>
#include <utility>using namespace std;//重载被调用函数，查看完美转发的效果
template<typename T>
void print(T &t)
{    
cout << "lvalue" << endl;
}
template<typename T>
void print(T &&t) 
{    cout << "rvalue" << endl;
}
template<typename T>
void TestForward(T &&v) 
{    
print(v);    
print(std::forward<T>(v));    
print(std::move(v));
}
int main() 
{    
TestForward(1);  
cout << endl;    
int x = 1;    
TestForward(x);    
cout << endl;    
TestForward(std::forward<int>(x));    
return 0;
}

程序执行结果为：

lvaluervaluervaluelvaluelvaluervaluelvaluervaluervalue

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