C++左值與右值,右值引用,移動語義與完美轉(zhuǎn)發(fā)詳解
C++——左值與右值、右值引用、移動語義與完美轉(zhuǎn)發(fā)
在C++或者C語言中,一個表達(dá)式(可以是字面量、變量、對象、函數(shù)的返回值等)根據(jù)其使用場景不同,分為左值表達(dá)式和右值表達(dá)式。
一、左值和右值的定義
1.左值的英文為locator value
,簡寫為lvalue
,可意為存儲在內(nèi)存中、有明確存儲地址(可尋址)的數(shù)據(jù)
2.右值的英文為read value
,簡寫為rvalue
,指的是那些可以提供數(shù)據(jù)值的數(shù)據(jù)(不一定可尋址,例如存儲與寄存器中的數(shù)據(jù))
二、如何判斷一個表達(dá)式是左值還是右值(大多數(shù)場景)
1.可位于賦值號(=)左側(cè)的表達(dá)式就是左值;反之,只能位于賦值號右側(cè)的表達(dá)式就是右值。例如:
int a = 5;
其中,變量a就是一個左值,而字面量5就是一個右值。
注:C++中的左值可以當(dāng)作右值使用,反之則不行,如
int b = 10; //b是一個左值 a = b; //a、b都是左值,只不過b可以當(dāng)作右值使用 10 = b; //錯誤,10是一個右值,不能當(dāng)作左值使用
2.有名稱的、可以獲取到存儲地址的表達(dá)式即為左值;反之則為右值
以上面定義的變量a、b為例,a和b是變量名,則通過&a和&b可以獲得他們的存儲地址,因此a和b都是左值;反之,字面量5、10,它們既沒有名稱,也無法獲取其存儲地址(字面量通常存儲在寄存器中,或者和代碼存儲在一起),因此5、10都是右值
三、C++右值引用
C++ 98/03標(biāo)準(zhǔn)中就有引用,但這里的引用只能操作左值,無法對右值添加引用,故被稱為左值引用,例如:
int num = 10; int &b = num; //正確 int &c = 10; //錯誤
注意,雖然C++ 98/03標(biāo)準(zhǔn)不支持為右值建立非常量左值引用,但允許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; //正確 const int &c = 10; //正確
為什么需要右值引用?
右值往往是沒有名稱的,因此要使用它只能借助引用的方式。這就產(chǎn)生一個問題,實(shí)際開發(fā)中我們可能需要對右值進(jìn)行修改(如實(shí)現(xiàn)移動語義時),而是用常量左值引用的方式是無法做到這一點(diǎn)的。
為此,C++11新標(biāo)準(zhǔn)引入了另一種引用方式,成為右值引用,用&&
表示
需要注意的是,和聲明左值引用一樣,右值引用也必須立即進(jìn)行初始化操作,且只能使用右值進(jìn)行初始化,比如:
int num = 10; int &&a = num; //錯誤,右值引用不能初始化為左值 int &&a = 10; //正確
和常量左值引用不同的是,右值引用還可以對右值進(jìn)行修改。例如:
int &&a = 10; a = 100; //正確
另外,C++語法上是支持定義常量右值引用的,例如:
const int&& a = 10;
但這種定義出來的右值引用并無實(shí)際用處。一方面,右值引用主要用于移動語義和完美轉(zhuǎn)發(fā),其中前者需要有修改右值的權(quán)限;其次,常量右值引用的作用就是引用一個不可修改的右值,而這項(xiàng)工作常量左值引用就可以完成
四、std::move()與移動語義
C++11標(biāo)準(zhǔn)中,借助右值引用可以為指定類添加移動構(gòu)造函數(shù),這樣當(dāng)使用該類的右值對象(可以理解為臨時對象)初始化同類對象時,編譯器會優(yōu)先選擇移動構(gòu)造函數(shù)。
注:移動構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用時機(jī)是:用同類的右值對象初始化新對象。那么當(dāng)用此類的左值對象(有名稱,能獲取其存儲地址的實(shí)例對象)初始化同類對象時,如何調(diào)用移動構(gòu)造函數(shù)呢?C++11給出的解決方案就是調(diào)用std::move()函數(shù)。
雖然move是移動的意思,但是該函數(shù)并不移動任何數(shù)據(jù),它的功能是將某個左值強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為右值,常用于實(shí)現(xiàn)移動語義
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);//執(zhí)行完之后demo.num會置為空 return 0; }
程序運(yùn)行結(jié)果:
construct!demo2:copy constrct!demo3:move construct!
通過觀察程序的輸出結(jié)果,以及對比 demo2 和 demo3 初始化操作不難得知,demo 對象作為左值,直接用于初始化 demo2 對象,其底層調(diào)用的是拷貝構(gòu)造函數(shù);而通過調(diào)用 move() 函數(shù)可以得到 demo 對象的右值形式,用其初始化 demo3 對象,編譯器會優(yōu)先調(diào)用移動構(gòu)造函數(shù)。
五、 完美轉(zhuǎn)發(fā)
什么是完美轉(zhuǎn)發(fā)?
它指的是函數(shù)模板可以將自己的參數(shù)“完美”地轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部調(diào)用的其他函數(shù)。所謂完美,即不僅能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)的值,還能保證被轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)的左、右值屬性不變
舉個栗子:
template<typename T>void function(T t) { otherdef(t);}
如上所示,function()函數(shù)模板中調(diào)用了otherdef()函數(shù)。在此基礎(chǔ)上,完美轉(zhuǎn)發(fā)指的是:如果function()函數(shù)接收到的參數(shù)t為左值,那么該函數(shù)傳遞給otherdef()的參數(shù)t也是左值;反之如果function()函數(shù)接收到的參數(shù)t為右值,那么傳遞給otherdef()函數(shù)的參數(shù)t也必須為右值。
顯然,上面這個例子中,function()函數(shù)模板并沒有實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)。一方面,參數(shù)t為非引用類型,這意味著在調(diào)用function()函數(shù)時,實(shí)參將值傳遞給形參的過程就需要額外進(jìn)行一次拷貝操作;另一方面,無論調(diào)用function()函數(shù)模板時傳遞給參數(shù)t的是左值還是右值,對于函數(shù)內(nèi)部的參數(shù)t來說,它有自己的名稱,也可以獲取它的存儲地址,因此它永遠(yuǎn)都是左值,即傳遞給otherdef()函數(shù)的參數(shù)t永遠(yuǎn)都是左值??傊瑹o論從哪個角度看,function()函數(shù)的定義都不“完美”。
為什么需要完美轉(zhuǎn)發(fā)?
C++11新標(biāo)準(zhǔn)中引入了右值引用和移動語義,因此很多場景中是否實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā),直接決定了該參數(shù)的傳遞過程使用的是拷貝語義(調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù))還是移動語義(調(diào)用移動構(gòu)造函數(shù))
如何實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)?
C++98/03標(biāo)準(zhǔn):由于沒有右值引用,只能通過重載函數(shù)模板(可通過常量左值引用傳遞右值)的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā),且這種方式存在弊端,如:此實(shí)現(xiàn)方式只適用于模板函數(shù)僅有少量參數(shù)的情況,否則就需要編寫大量的重載函數(shù)模板,造成代碼的冗余。
為了方便用戶更快速地實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā),C++11標(biāo)準(zhǔn)中允許在函數(shù)模板中使用右值引用來實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)
C++11標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,通常情況下右值引用形式的參數(shù)只能接收右值,不能接收左值。但對于函數(shù)模板中使用右值引用語法定義的參數(shù)來說,它不再遵守這一規(guī)定,既可以接收右值,也可以接收左值(此時的右值引用又被稱為“萬能引用”)
仍以function()函數(shù)為例,在C++11標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā),只需編寫如下一個模板函數(shù)即可:
template<typename T>void function(T &&t) {otherdef(t);}
此模板函數(shù)的參數(shù)t既可以接收左值,也可以接收右值。但僅僅使用右值引用作為函數(shù)模板的參數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,還有一個問題需要解決,即如果調(diào)用function()函數(shù)時為其傳遞一個左值引用或右值引用的實(shí)參,如下所示:
int n = 10; int &num = n; function(num); //T為int &int &&num2 = 11;function(num2); //T為int &&
其中由function(num)實(shí)例化的函數(shù)底層就變成了function(int& &&t),而由function(num2)實(shí)例化的函數(shù)底層則變成了function(int&& &&t)。C++98是不支持這種語法的,而C++11為了更好地實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā),專門為其指定了新的類型匹配規(guī)則,又稱為引用折疊規(guī)則(假設(shè)A表示實(shí)際傳遞參數(shù)的類型):
- 當(dāng)實(shí)參為左值或左值引用(A&)時,函數(shù)模板中T&&將轉(zhuǎn)變?yōu)锳&(A& && = A&);
- 當(dāng)實(shí)參為右值或右值引用(A&&)時,函數(shù)模板中T&&將轉(zhuǎn)變?yōu)锳&&(A&& && = A&&);
上述規(guī)則的含義是:在實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)時,只要函數(shù)模板的參數(shù)類型為T&&,則C++可以自行準(zhǔn)確地判定實(shí)際傳入的實(shí)參是左值還是右值
通過將函數(shù)模板的形參類型設(shè)置為T&&,我們可以很好地解決接收左、右值的問題。但除此之外,還需要解決一個問題,即無論傳入的形參是左值還是右值,對于函數(shù)模板內(nèi)部來說,形參既有名稱又能尋址,因此它都是左值。那么如何才能將函數(shù)模板接收到的形參連同其左、右值屬性,一起傳遞給被調(diào)用的函數(shù)呢?
答案就是使用C++11提供的模板函數(shù)forward(),注意其和move的區(qū)別是forward要通過顯式模板實(shí)參來使用
用法示例:
#include <iostream> #include <utility>using namespace std;//重載被調(diào)用函數(shù),查看完美轉(zhuǎn)發(fā)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; }
程序執(zhí)行結(jié)果為:
lvaluervaluervaluelvaluelvaluervaluelvaluervaluervalue
總結(jié)
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