C++11 右值引用、移动语义、完美转发、引用折叠、万能引用

转自：http://c.biancheng.net/

C++中的左值和右值

右值引用可以从字面意思上理解，指的是以引用传递（而非值传递）的方式使用 C++ 右值。关于 C++ 引用，已经在《C++引用》专题给大家做了详细的讲解，这里不再重复赘述。接下来重点给大家介绍什么是 C++ 右值。

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。确切的说 C++ 中左值和右值的概念是从 C 语言继承过来的。

值得一提的是，左值的英文简写为“lvalue”，右值的英文简写为“rvalue”。很多人认为它们分别是"left value"、“right value” 的缩写，其实不然。lvalue 是“loactor value”的缩写，可意为存储在内存中、有明确存储地址（可寻址）的数据，而 rvalue 译为 “read value”，指的是那些可以提供数据值的数据（不一定可以寻址，例如存储于寄存器中的数据）。

通常情况下，判断某个表达式是左值还是右值，最常用的有以下 2 种方法。

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。举个例子：

int a = 5;
5 = a; //错误，5 不能为左值

其中，变量 a 就是一个左值，而字面量 5 就是一个右值。值得一提的是，C++ 中的左值也可以当做右值使用，例如：

int b = 10; // b 是一个左值
a = b; // a、b 都是左值，只不过将 b 可以当做右值使用

有名称的、可以获取到存储地址的表达式即为左值；反之则是右值。

以上面定义的变量 a、b 为例，a 和 b 是变量名，且通过 &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。

注意，以上 2 种判定方法只适用于大部分场景。由于本节主要讲解右值引用，因此这里适可而止，不再对 C++ 左值和右值做深度剖析，感兴趣的读者可自行研究。

更详细的左右值的相关概念可参考：

在这里插入图片描述

C++右值引用

前面提到，其实 C++98/03 标准中就有引用，使用 “&” 表示。但此种引用方式有一个缺陷，即正常情况下只能操作 C++ 中的左值，无法对右值添加引用。举个例子：

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

如上所示，编译器允许我们为 num 左值建立一个引用，但不可以为 10 这个右值建立引用。因此，C++98/03 标准中的引用又称为左值引用。

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。也就是说，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;const int &c = 10;

我们知道，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（实现移动语义时就需要），显然左值引用的方式是行不通的。

为此，C++11 标准新引入了另一种引用方式，称为右值引用，用 “&&” 表示。

话说，C++标准委员会在选定右值引用符号时，既希望能选用现有 C++ 内部已有的符号，还不能与 C++ 98 /03 标准产生冲突，最终选定了 2 个 ‘&’ 表示右值引用。

需要注意的，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;  //右值引用不能初始化为左值int && a = 10;

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;cout << a << endl;

程序输出结果为 100。

另外值得一提的是，C++ 语法上是支持定义常量右值引用的，例如：

const int&& a = 10;//编译器不会报错

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，这项工作完全可以交给常量左值引用完成。

学到这里，一些读者可能无法记清楚左值引用和右值引用各自可以引用左值还是右值，这里给大家一张表格，方便大家记忆：

引用类型					使用场景
	非常量左值	常量左值	非常量右值	常量右值
非常量左值引用	Y	N	N	N	无
常量左值引用	Y	Y	Y	Y	常用于类中构建拷贝构造函数
非常量右值引用	N	N	Y	N	移动语义、完美转发
常量右值引用	N	N	Y	Y	无实际用途

表中，Y 表示支持，N 表示不支持。

其实，C++11 标准中对右值做了更细致的划分，分别称为纯右值（Pure value，简称 pvalue）和将亡值（eXpiring value，简称 xvalue ）。其中纯右值就是 C++98/03 标准中的右值（本节中已经做了大篇幅的讲解），而将亡值则指的是和右值引用相关的表达式（比如某函数返回的 T && 类型的表达式）。对于纯右值和将亡值，都属于右值，读者知道即可，不必深究。

拷贝构造函数与深拷贝

在 C++ 11 标准之前（C++ 98/03 标准中），如果想用其它对象初始化一个同类的新对象，只能借助类中的复制（拷贝）构造函数。通过《C++拷贝构造函数》一节的学习我们知道，拷贝构造函数的实现原理很简单，就是为新对象复制一份和其它对象一模一样的数据。

需要注意的是，当类中拥有指针类型的成员变量时，拷贝构造函数中需要以深拷贝（而非浅拷贝）的方式复制该指针成员。有关深拷贝和浅拷贝以及它们的区别，读者可阅读《C++深拷贝和浅拷贝》一文做详细了解。

举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;class demo{
public:demo():num(new int(0)){cout<<"construct!"<<endl;}//拷贝构造函数demo(const demo &d):num(new int(*d.num)){cout<<"copy construct!"<<endl;}~demo(){cout<<"class destruct!"<<endl;}
private:int *num;
};demo get_demo(){return demo();
}int main(){demo a = get_demo();return 0;
}

如上所示，我们为 demo 类自定义了一个拷贝构造函数。该函数在拷贝 d.num 指针成员时，必须采用深拷贝的方式，即拷贝该指针成员本身的同时，还要拷贝指针指向的内存资源。否则一旦多个对象中的指针成员指向同一块堆空间，这些对象析构时就会对该空间释放多次，这是不允许的。

可以看到，程序中定义了一个可返回 demo 对象的 get_demo() 函数，用于在 main() 主函数中初始化 a 对象，其整个初始化的流程包含以下几个阶段：

执行 get_demo() 函数内部的 demo() 语句，即调用 demo 类的默认构造函数生成一个匿名对象；
执行 return demo() 语句，会调用拷贝构造函数复制一份之前生成的匿名对象，并将其作为 get_demo() 函数的返回值（函数体执行完毕之前，匿名对象会被析构销毁）；
执行 a = get_demo() 语句，再调用一次拷贝构造函数，将之前拷贝得到的临时对象复制给 a（此行代码执行完毕，get_demo() 函数返回的对象会被析构）；
程序执行结束前，会自行调用 demo 类的析构函数销毁 a。

注意，目前多数编译器都会对程序中发生的拷贝操作进行优化，因此如果我们使用 VS 2017、codeblocks 等这些编译器运行此程序时，看到的往往是优化后的输出结果：

construct!
class destruct!

而同样的程序，如果在 Linux 上使用g++ demo.cpp -fno-elide-constructors命令运行（其中 demo.cpp 是程序文件的名称），就可以看到完整的输出结果：

construct!        <-- 执行 demo()
copy construct!    <-- 执行 return demo()
class destruct!     <-- 销毁 demo() 产生的匿名对象
copy construct!    <-- 执行 a = get_demo()
class destruct!     <-- 销毁 get_demo() 返回的临时对象
class destruct!     <-- 销毁 a

如上所示，利用拷贝构造函数实现对 a 对象的初始化，底层实际上进行了 2 次拷贝（而且是深拷贝）操作。当然，对于仅申请少量堆空间的临时对象来说，深拷贝的执行效率依旧可以接受，但如果临时对象中的指针成员申请了大量的堆空间，那么 2 次深拷贝操作势必会影响 a 对象初始化的执行效率。

事实上，此问题一直存留在以 C++ 98/03 标准编写的 C++ 程序中。由于临时变量的产生、销毁以及发生的拷贝操作本身就是很隐晦的（编译器对这些过程做了专门的优化），且并不会影响程序的正确性，因此很少进入程序员的视野。

那么当类中包含指针类型的成员变量，使用其它对象来初始化同类对象时，怎样才能避免深拷贝导致的效率问题呢？C++11 标准引入了解决方案，该标准中引入了右值引用的语法，借助它可以实现移动语义。

移动构造函数、移动语义及其实现

所谓移动语义，指的就是以移动而非深拷贝的方式初始化含有指针成员的类对象。简单的理解，移动语义指的就是将其他对象（通常是临时对象）拥有的内存资源“移为已用”。

以前面程序中的 demo 类为例，该类的成员都包含一个整形的指针成员，其默认指向的是容纳一个整形变量的堆空间。当使用 get_demo() 函数返回的临时对象初始化 a 时，我们只需要将临时对象的 num 指针直接浅拷贝给 a.num，然后修改该临时对象中 num 指针的指向（通常另其指向 NULL），这样就完成了 a.num 的初始化。

事实上，对于程序执行过程中产生的临时对象，往往只用于传递数据（没有其它的用处），并且会很快会被销毁。因此在使用临时对象初始化新对象时，我们可以将其包含的指针成员指向的内存资源直接移给新对象所有，无需再新拷贝一份，这大大提高了初始化的执行效率。

例如，下面程序对 demo 类进行了修改：

#include <iostream>
using namespace std;
class demo{
public:demo():num(new int(0)){cout<<"construct!"<<endl;}demo(const demo &d):num(new int(*d.num)){cout<<"copy construct!"<<endl;}//添加移动构造函数demo(demo &&d):num(d.num){d.num = NULL;cout<<"move construct!"<<endl;}~demo(){cout<<"class destruct!"<<endl;}
private:int *num;
};
demo get_demo(){return demo();
}
int main(){demo a = get_demo();return 0;
}

可以看到，在之前 demo 类的基础上，我们又手动为其添加了一个构造函数。和其它构造函数不同，此构造函数使用右值引用形式的参数，又称为移动构造函数。并且在此构造函数中，num 指针变量采用的是浅拷贝的复制方式，同时在函数内部重置了 d.num，有效避免了“同一块对空间被释放多次”情况的发生。

在 Linux 系统中使用g++ demo.cpp -o demo.exe -std=c++0x -fno-elide-constructors命令执行此程序，输出结果为：

construct!
move construct!
class destruct!
move construct!
class destruct!
class destruct!\

通过执行结果我们不难得知，当为 demo 类添加移动构造函数之后，使用临时对象初始化 a 对象过程中产生的 2 次拷贝操作，都转由移动构造函数完成。

我们知道，非 const 右值引用只能操作右值，程序执行结果中产生的临时对象（例如函数返回值、lambda 表达式等）既无名称也无法获取其存储地址，所以属于右值。当类中同时包含拷贝构造函数和移动构造函数时，如果使用临时对象初始化当前类的对象，编译器会优先调用移动构造函数来完成此操作。只有当类中没有合适的移动构造函数时，编译器才会退而求其次，调用拷贝构造函数。

在实际开发中，通常在类中自定义移动构造函数的同时，会再为其自定义一个适当的拷贝构造函数，由此当用户利用右值初始化类对象时，会调用移动构造函数；使用左值（非右值）初始化类对象时，会调用拷贝构造函数。

读者可能会问，如果使用左值初始化同类对象，但也想调用移动构造函数完成，有没有办法可以实现呢？

默认情况下，左值初始化同类对象只能通过拷贝构造函数完成，如果想调用移动构造函数，则必须使用右值进行初始化。C++11 标准中为了满足用户使用左值初始化同类对象时也通过移动构造函数完成的需求，新引入了 std::move() 函数，它可以将左值强制转换成对应的右值，由此便可以使用移动构造函数。

std::move()

通过上节内容，我们知道，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。

注意，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，用当前类的左值对象（有名称，能获取其存储地址的实例对象）初始化同类对象时，是否就无法调用移动构造函数了呢？当然不是，C++11 标准中已经给出了解决方案，即调用 move() 函数。

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。

【例 1】move() 函数的基础应用。

#include <iostream>
using namespace std;
class movedemo{
public:movedemo():num(new int(0)){cout<<"construct!"<<endl;}//拷贝构造函数movedemo(const movedemo &d):num(new int(*d.num)){cout<<"copy construct!"<<endl;}//移动构造函数movedemo(movedemo &&d):num(d.num){d.num = NULL;cout<<"move construct!"<<endl;}
public:     //这里应该是 private，使用 public 是为了更方便说明问题int *num;
};
int main(){movedemo demo;cout << "demo2:\n";movedemo demo2 = demo;//cout << *demo2.num << endl;   //可以执行cout << "demo3:\n";movedemo demo3 = std::move(demo);//此时 demo.num = NULL，因此下面代码会报运行时错误//cout << *demo.num << endl;return 0;
}

程序执行结果为：

construct!
demo2:
copy construct!
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。

注意，调用拷贝构造函数，并不影响 demo 对象，但如果调用移动构造函数，由于函数内部会重置 demo.num 指针的指向为 NULL，所以程序中第 30 行代码会导致程序运行时发生错误。

【例 2】灵活使用 move() 函数。

#include <iostream>
using namespace std;
class first {
public:first() :num(new int(0)) {cout << "construct!" << endl;}//移动构造函数first(first &&d) :num(d.num) {d.num = NULL;cout << "first move construct!" << endl;}
public:    //这里应该是 private，使用 public 是为了更方便说明问题int *num;
};
class second {
public:second() :fir() {}//用 first 类的移动构造函数初始化 firsecond(second && sec) :fir(move(sec.fir)) {cout << "second move construct" << endl;}
public:    //这里也应该是 private，使用 public 是为了更方便说明问题first fir;
};
int main() {second oth;second oth2 = move(oth);//cout << *oth.fir.num << endl;   //程序报运行时错误return 0;
}

程序执行结果为：

construct!
first move construct!
second move construct

程序中分别构建了 first 和 second 这 2 个类，其中 second 类中包含一个 first 类对象。如果读者仔细观察不难发现，程序中使用了 2 此 move() 函数：

程序第 31 行：由于 oth 为左值，如果想调用移动构造函数为 oth2 初始化，需先利用 move() 函数生成一个 oth 的右值版本；
程序第 22 行：oth 对象内部还包含一个 first 类对象，对于 oth.fir 来说，其也是一个左值，所以在初始化 oth.fir 时，还需要再调用一次 move() 函数。

C++11完美转发及实现方法详解

C++11 标准为 C++ 引入右值引用语法的同时，还解决了一个 C++ 98/03 标准长期存在的短板，即使用简单的方式即可在函数模板中实现参数的完美转发。那么，什么是完美转发？它为什么是 C++98/03 标准存在的一个短板？C++11 标准又是如何为 C++ 弥补这一短板的？别急，本节将就这些问题给读者做一一讲解。

首先解释一下什么是完美转发，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它函数。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。

举个例子：

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，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，也就是说，传递给 otherdef() 函数的参数 t 永远都是左值。总之，无论从那个角度看，function() 函数的定义都不“完美”。

读者可能会问，完美转发这样严苛的参数传递机制，很常用吗？C++98/03 标准中几乎不会用到，但 C++11 标准为 C++ 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）。

事实上，C++98/03 标准下的 C++ 也可以实现完美转发，只是实现方式比较笨拙。通过前面的学习我们知道，C++ 98/03 标准中只有左值引用，并且可以细分为非 const 引用和 const 引用。其中，使用非 const 引用作为函数模板参数时，只能接收左值，无法接收右值；而 const 左值引用既可以接收左值，也可以接收右值，但考虑到其 const 属性，除非被调用函数的参数也是 const 属性，否则将无法直接传递。

这也就意味着，单独使用任何一种引用形式，可以实现转发，但无法保证完美。因此如果使用 C++ 98/03 标准下的 C++ 语言，我们可以采用函数模板重载的方式实现完美转发，例如：

#include <iostream>
using namespace std;
//重载被调用函数，查看完美转发的效果
void otherdef(int & t) {cout << "lvalue\n";
}
void otherdef(const int & t) {cout << "rvalue\n";
}
//重载函数模板，分别接收左值和右值
//接收右值参数
template <typename T>
void function(const T& t) {otherdef(t);
}
//接收左值参数
template <typename T>
void function(T& t) {otherdef(t);
}
int main()
{function(5);//5 是右值int  x = 1;function(x);//x 是左值return 0;
}

程序执行结果为：

rvalue
lvalue

从输出结果中可以看到，对于右值 5 来说，它实际调用的参数类型为 const T& 的函数模板，由于 t 为 const 类型，所以 otherdef() 函数实际调用的也是参数用 const 修饰的函数，所以输出“rvalue”；对于左值 x 来说，2 个重载模板函数都适用，C++编译器会选择最适合的参数类型为 T& 的函数模板，进而 therdef() 函数实际调用的是参数类型为非 const 的函数，输出“lvalue”。

显然，使用重载的模板函数实现完美转发也是有弊端的，此实现方式仅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”）。

If a variable or parameter is declared to have type T&& for some deduced type T, that variable or parameter is a universal reference.

如果一个变量或者参数被声明为T&&，其中T是被推导的类型，那这个变量或者参数就是一个universal reference。

仍以 function() 函数为例，在 C++11 标准中实现完美转发，只需要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，还有一个问题继续解决，即如果调用 function() 函数时为其传递一个左值引用或者右值引用的实参，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)，同样由 function(num2) 实例化的函数底层则变成了 function(int && && t)。要知道，C++98/03 标准是不支持这种用法的，而 C++ 11标准为了更好地实现完美转发，特意为其指定了新的类型匹配规则，又称为引用折叠规则（假设用 A 表示实际传递参数的类型）：

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

读者只需要知道，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出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？

C++11 标准的开发者已经帮我们想好的解决方案，该新标准还引入了一个模板函数 forward<T>()，我们只需要调用该函数，就可以很方便地解决此问题。仍以 function 模板函数为例，如下演示了该函数模板的用法：

#include <iostream>
using namespace std;
//重载被调用函数，查看完美转发的效果
void otherdef(int & t) {cout << "lvalue\n";
}
void otherdef(const int & t) {cout << "rvalue\n";
}
//实现完美转发的函数模板
template <typename T>
void function(T&& t) {otherdef(forward<T>(t));
}
int main()
{function(5);int  x = 1;function(x);return 0;
}