【C++】右值引用

前言：
一、左值引用和右值引用
- 1.1 什么是左值和左值引用
- 1.2 什么是右值和右值引用
二、左值引用和右值引用比较
三、右值引用使用场景
- 3.1 传值返回使用场景
- 3.2 移动构造
- 3.3 移动赋值
- 3.4 STL容器接口也增加右值引用
- 3.5 完美转发

前言：

引用是给对象取别名，本质是为了减少拷贝。以前我们学习的引用都是左值引用，右值引用是C++11新增的语法，它们的共同点都是给对象取别名。既然如此，有了左值引用，为什么还要有右值引用？右值引用具体是怎样的？以及它有哪些应用场景？接下来，会详细分析~~

一、左值引用和右值引用

1.1 什么是左值和左值引用

左值是一个表示数据的表达式，可以是变量名、解引用的指针和前置++。左值可以取地址和赋值，它出现在赋值符号的左边。如果定义的左值被const修饰，那么它就不能被赋值，但是可以取地址。

//左值
int a = 10;
const int b = 20;
int* p = new int(0);

前置++是左值是因为该运算符先进行自增，再使用，返回值还是它自己，所以是左值

左值引用就是给左值的引用，给左值取别名

//左值引用
int& c = a;
const int& d = b;
int*& pp = p;

1.2 什么是右值和右值引用

右值也是一个表示数据的表达式，可以是常量、表达式、函数返回值（不能是左值引用返回）和后置++。右值不可以被赋值和取地址，它出现在赋值符号的右边。

int x = 1, y = 2;
//右值
10;//常量
x + y;//表达式
func(x, y);//函数返回值

后置++是右值是因为该运算符先使用，再++，即它会返回当前没有自增的临时变量，然后再自己++

右值引用就是给右值的引用，给右值取别名

//右值引用
int&& r1 = 10;
int&& r2 = x + y;
int&& r3 = func(x,y);

总结：
左值是具有存储性质的对象，是要占内存空间的；右值是没有存储性质的对象，也就是临时对象
判断是左值还是右值，不能以是否可以赋值来确定，右值是不可以赋值的，左值没有const时可以，有const时不行，所以左值和右值的本质区别是能否取地址，左值可以取地址，右值不可以取地址。

二、左值引用和右值引用比较

前面说过，左值引用是给左值取别名，右值引用是给右值取别名，那么有个小问题，左值引用能给右值取别名吗？右值引用又能否给左值取别名呢？答案是可以的，这里作了特殊处理：

const左值引用可以给右值取别名
右值引用可以给move(左值)取别名

const int& a = 10;
int&& p = move(x);

move函数的作用是强制把左值转换为右值

我们知道，引用的最主要的作用是给对象取别名，减少拷贝。既然左值引用都可以给左值和右值取别名，那右值引用的出现有什么意义？

先来看下左值引用有哪些应用场景：

解决函数传参的拷贝问题。函数传参时如果没有左值引用，就要进行拷贝；有左值引用，不需要拷贝。
解决部分返回对象拷贝问题。返回对象出了函数作用域还在，没有问题；如果出了作用域就销毁了，就有问题。

1️⃣函数传参

string& operator=(const string& s)

2️⃣返回的对象，出了作用域还在

// 赋值重载
string& operator=(const string& s)
{string tmp(s);swap(tmp);return *this;//this指针指向的成员变量的作用域在整个类中
}

3️⃣返回的对象是局部的，出了作用域就销毁

int& Func()
{int b = 10;return b;
}

第一个和第二个没问题，第三个就有问题，返回对象是一个局部对象，出了作用域就销毁，用其他变量接收会出问题。

从这里可以发现，函数返回一个对象时用左值引用在某些场景是不适合的，但把左值引用去掉，只能传值返回，要拷贝。对上面的例子，返回的是一个int类型的对象，没有多大的消耗；但是如果返回的对象消耗很大，就影响效率，比如：

yss::string to_string(int value)
{bool flag = true;if (value < 0){flag = false;value = 0 - value;}yss::string str;//是局部对象while (value > 0){int x = value % 10;value /= 10;str += ('0' + x);}if (flag == false){str += '-';}std::reverse(str.begin(), str.end());return str;//出了函数作用域就会销毁
}

既然左值引用返回不行，传值返回有拷贝存在，那换成右值引用返回呢？其实也是不行的。
在这里插入图片描述
因为就算把要返回的对象转换为右值，还是避免不了返回对象出了作用域就销毁的情况。

三、右值引用使用场景

3.1 传值返回使用场景

怎么解决前面的问题呢？先来看看传值返回的场景：
在这里插入图片描述
在编译器没有作优化的情况下，要返回的对象是局部的，出了作用域就会销毁，所以拷贝构造给临时对象，临时对象是右值，临时对象再拷贝构造给ret1。整个过程拷贝构造了两次，拷贝了就算了，第一次拷贝构造后，str销毁了；第二次拷贝构造后，临时对象销毁了。也就是说，产生的临时空间，用完就将被销毁，这样是不是太浪费资源了。所以编译器一般都会作优化处理，尽可能的减少拷贝次数。先看下运行结果：
在这里插入图片描述
只调用了一次拷贝构造：

3.2 移动构造

有了编译器的优化，拷贝的次数减少，但还是不够。因此，右值引用的就有它的用武之地了。先说明一下，在前面的例子中，用右值引用作返回值是不行，因为没有解决局部对象出作用域就销毁的根本问题；也就是说，右值引用并不是像左值引用那样，你用了，就直接起作用，右值引用是间接起作用的。

右值引用是怎么间接起作用的呢？对比以下两个函数：

//函数1
void func(const int& x)
{cout << "void func(const int& x)" << endl;
}
//函数2
void func(int&& x)
{cout << "void func(int&& x)" << endl;
}int main()
{int x = 2;func(x);func(10);return 0;
}

函数2是函数1的重载，函数1的参数是左值引用，函数2的是右值引用，先注释掉函数2，运行一下：

在这里插入图片描述
第一次调用传入参数X，第二次调用传入参数10都可以调用函数1，这里其实也顺便验证了左值引用既可以引用左值（参数x），也可以引用右值（常数10，特殊处理的要记得带const）。

取消注释，函数1和函数2都在的情况下如何：
在这里插入图片描述
传入参数x调用函数1，参数为10调用函数2，说明调用哪个函数是根据传的参数是左值还是右值决定的，也就是哪个更合适用哪个。

在上面例子的基础上，可以对拷贝构造进行重载，变成移动构造，移动构造的作用：窃取别人的资源来构造自己。下面是拷贝构造和移动构造：

// 拷贝构造
string(const string& s)
{cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;string tmp(s._str);//调用构造函数swap(tmp);
}// 移动构造
string(string&& s)
{cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;swap(s);
}
/
yss::string ret1 = yss::to_string(1234);

在拷贝构造函数和移动构造函数都在的情况下运行，只有移动构造，也就是说没有拷贝了，这得益于编译器的优化。
在这里插入图片描述

在编译器没有优化的情况下：
在这里插入图片描述

编译器有优化的情况下:
在这里插入图片描述

对比下拷贝构造和移动构造：

根据函数调用匹配原则，如果传入的参数是左值，调用的是拷贝构造；如果传入的参数是右值，调用的是移动构造。
拷贝构造(深拷贝)是比较浪费资源的，产生的临时对象tmp用完就销毁了；移动构造只需将被拷贝对象的资源占为己有，不需要深拷贝，提高了效率。
如果没有移动构造，不管是左值还是右值都会调用拷贝构造，也就是前面例子中返回对象有两次拷贝构造的情况（假设没有优化）

是不是所有的类都要有移动构造呢？
首先要清楚的是，移动构造是为了减少拷贝。也不是所有的拷贝都需要移动构造来解决，如果是要开空间的(深拷贝)，比如string类，list等就要移动构造减少拷贝，否则拷贝的消耗很大。如果是不需要开空间的(浅拷贝)，比如日期类，成员变量都是int类型，像这样的内置类型直接拷贝即可。

总结：

浅拷贝的类不需要移动构造
深拷贝的类需要移动构造

3.3 移动赋值

右值引用不仅可以用在移动构造，还可以用在移动赋值。如果一个对象已经存在，调用的函数返回值赋值给这个对象，就会调用移动赋值。

比如：

yss::string ret1;
ret1 = yss::to_string(1234);

拷贝赋值(赋值重载)和移动赋值：

// 赋值重载
string& operator=(const string& s)
{cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << endl;string tmp(s);//调用拷贝构造swap(tmp);return *this;
}// 移动赋值
string& operator=(string&& s)
{cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl; swap(s);return *this;
}

运行一下：
在这里插入图片描述

接下来，作几组对比：
1️⃣没有移动构造和移动赋值
在这里插入图片描述

函数返回值是拷贝构造出来的临时对象，再赋值给已经存在的对象ret1，赋值的过程中调用赋值构造，赋值构造里又有拷贝构造，总共两次拷贝。

2️⃣有移动构造，没有移动赋值
在这里插入图片描述

返回对象时是移动构造，没有拷贝，但是赋值时要调用拷贝构造

3️⃣有移动构造，有移动赋值
在这里插入图片描述

返回对象时没有拷贝，str是出了作用域就销毁，直接给返回值，返回值也是临时对象，直接给ret1，不需要拷贝，减少了资源浪费，效率提高。

拷贝赋值与移动赋值对比：

如果没有移动赋值，那么无论是左值还是右值都会调用拷贝复制，这点与拷贝构造与移动构造相同
根据函数调用匹配原则，参数是左值调用拷贝赋值，参数是右值调用移动赋值
拷贝赋值会先调用拷贝构造，再进行资源交换，交换后那个临时的对象用完就销毁了，整个过程比较浪费资源。移动赋值直接将自己的资源与临时对象的资源进行交换，交换后自己原来的资源只需交给临时对象处理（销毁）

注：有可能要赋值的对象不是临时对象，即不是右值，有可能是左值，那么情况就会有变化(对应函数调用匹配原则)，下面来看看是左值的：

yss::string ret1;
yss::string ret2;//左值
ret1 = ret2;

运行：
在这里插入图片描述

3.4 STL容器接口也增加右值引用

有了右值引用，STL容器接口也作出了调整。以list的构造为例：
在这里插入图片描述
不仅是构造函数，在其他接口也有增加与右值引用相关的功能。通过STL中list的尾插函数来看：

list<yss::string> lt;
yss::string s1("1111");lt.push_back(s1);//有名对象
cout << "-----------------" << endl;
lt.push_back(yss::string("2222"));//匿名对象
cout << "-----------------" << endl;
lt.push_back("3333");//隐式类型转换

在这里插入图片描述
有名对象是左值，调用拷贝构造；匿名对象和隐式类型转换（构造+拷贝构造-》构造）是右值，调用移动构造。当然，在调用对应的构造函数前，尾插函数传参的过程需要先看下：

在这里插入图片描述

注：有名对象——左值可以通过move转换为右值，但是不要轻易使用，因为一旦使用这个左值的资源将会被拿走

上面的list是C++标准库中的list，用我们之前模拟实现的list试下，看有没有同样的效果。
在这里插入图片描述

第一个有两次拷贝构造，是因为定义空的链表时也有拷贝构造，第一个下面的深拷贝才是按照图示走的，所以第一个上面的深拷贝暂时先忽略掉

发现全是深拷贝，因为我们没有重载拷贝构造函数的传参为右值引用，重载后再运行看看：

ListNode(const T& x = T()):_prev(nullptr), _next(nullptr), _val(x)
{}ListNode(T&& x):_prev(nullptr), _next(nullptr), _val(x)
{}
//
//尾插
void push_back(const T& x)
{insert(end(), x);
}
void push_back(T&& x)
{insert(end(), x);
}
///
//pos位置插入
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{Node* newnode = new Node(x);//创建新节点//......
}
iterator insert(iterator pos, T&& x)
{Node* newnode = new Node(x);//创建新节点//......
}

在这里插入图片描述
为什么还全是深拷贝呢？先来看一小段代码：

右值引用接收右值常量10，右值引用r可以自增++，也就是说，右值引用r的属性是左值。根据这点，所以前面的代码用右值引用参数接收后，它的属性变成了左值，左值再调用到下一个函数，接收的是左值引用。这里需要修改下代码，传参时move下，让它的参数（进入右值引用的）变成左值后再重新变成右值

ListNode(T&& x):_prev(nullptr), _next(nullptr), _val(move(x))
{}
///
void push_back(T&& x)
{insert(end(), move(x));
}
///
iterator insert(iterator pos, T&& x)
{Node* newnode = new Node(move(x));//创建新节点//......
}

运行一下：正是我们想要的结果。
在这里插入图片描述

那为什么右值引用后它的属性要变成左值呢？
在这里插入图片描述
因为只有右值引用的属性是左值可以被改变，资源才可以转移。

3.5 完美转发

模板中的万能引用——&&
作用：可以接收左值，也可以接收右值

template<class T>
void PerfectForward(T&& t)
{cout << "void PerfectForward(T&& t)" << endl;
}int main()
{PerfectForward(10);  // 右值int a = 1;PerfectForward(a);// 左值PerfectForward(move(a)); // 右值return 0;
}

在这里插入图片描述

注意：万能引用虽然和右值引用都是两个取地址符，但是要有所区分。右值引用接收右值，或者是move后的左值；万能引用左、右值都能接收，包括const左值和const右值

const int b = 8;
PerfectForward(b);// const 左值
PerfectForward(std::move(b)); // const 右值

在这里插入图片描述

这样来看好像万能引用很不错，但其实还是有些局限：

void Fun(int& x) { cout << "左值引用" << endl; }
void Fun(const int& x) { cout << "const 左值引用" << endl; }
void Fun(int&& x) { cout << "右值引用" << endl; }
void Fun(const int&& x) { cout << "const 右值引用" << endl; }template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{Fun(t);
}
int main()
{PerfectForward(10); //右值int a;PerfectForward(a); //左值PerfectForward(std::move(a)); //右值const int b = 8;PerfectForward(b); //const左值PerfectForward(std::move(b)); //const右值return 0;
}

以上代码中我们的思路是：传入右值，在PerfectForward函数中调用的函数打印右值引用；传入左值，在PerfectForward函数中调用的函数打印左值引用；传入const右值，在PerfectForward函数中调用的函数打印const右值引用；传入const左值，在PerfectForward函数中调用的函数打印const左值引用。

运行结果：
在这里插入图片描述