深入理解C++右值引用

在C++中，常量、变量或表达式一定是左值（lvalue）或右值（rvalue）。

左值：非临时的（具名的，可在多条语句中使用，可以被取地址）。可以出现在等号的左边或右边。可分为非常量左值和常量左值。

类型	举例
非常量左值	int ncLeft1 = 2;// ncLeft1为非常量左值 ++ncLeft1; // 前缀自增表达式返回值为非常量左值
常量左值	const int cLeft1 = 2; // cLeft1为常量左值

右值：临时的（不具名的，只在当前语句中有效，不能取地址）。只能出现在等号的右边。可分为非常量右值和常量右值。

类型	举例
非常量右值	int ncLeft1 = 1; ncLeft1 + 1; // ncLeft1+1为非常量右值 ncLeft1++;// 后缀自增表达式返回值为非常量右值 add(1, 2); // int add(int,int)函数的返回值为非常量右值 [] {return 5; }(); // lambda表达式为非常量右值 CRect().GetWidth(); // 成员函数int GetWidth()返回值为非常量右值
常量右值	const int& cLeftRef1 = 3; // 3为常量右值

左值引用：对左值的引用就是左值引用。可分为非常量左值引用和常量左值引用。

引用类型	可被引用的类型				注记
	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	// ncLeft1为非常量左值 int ncLeft1 = 2;  int& ncLeftRef1 = ncLeft1; // 前缀自增表达式返回值为非常量左值 int& ncLeftRef2 = ++ncLeft1; // ncLeftRef2为非常量左值 int& ncLeftRef3 = ncLeftRef2;	No	No	No	该引用类型本身为非常量左值
常量左值引用	// ncLeft1为非常量左值 int ncLeft1 = 2;  const int& cLeftRef1 = ncLeft1; // 前缀自增表达式返回值为非常量左值 const int& cLeftRef2 = ++ncLeft1; int& ncLeftRef1 = ++ncLeft1; // ncLeftRef1为非常量左值 const int& cLeftRef3 = ncLeftRef1;	// cLeft1为常量左值 const int cLeft1 = 2;  const int& cLeftRef1 = cLeft1;  // cLeftRef1为常量左值 const int& cLeftRef2 = cLeftRef1;	int ncLeft1 = 1; // ncLeft1+1为非常量右值 const int& cLeftRef1 = ncLeft1 + 1;  // 后缀自增表达式返回值为非常量右值 const int& cLeftRef2 = ncLeft1++;  // int add(int,int)函数的返回值为非常量右值 const int& cLeftRef3 = add(1, 2);  // lambda表达式为非常量右值 const int& cLeftRef4 = [] {return 5; }();  // 成员函数int GetWidth()返回值为非常量右值 const int& cLeftRef5 = CRect().GetWidth();	// 3为常量右值 const int& cLeftRef1 = 3;	该引用类型本身为常量左值

注：常量左值引用是“万能”的引用类型，可以绑定到所有类型的值，包括非常量左值、常量左值、非常量右值和常量右值。 

右值引用：对右值的引用就是右值引用。可分为非常量右值引用和常量右值引用。

引用类型	可被引用的类型				注记
	非常量左值	常量左值	非常量右值	常量右值
非常量右值引用	No	No	int ncLeft1 = 1; int&& ncRightRef1 = ncLeft1 + 1;  // 后缀自增表达式返回值为非常量右值 int&& ncRightRef2 = ncLeft1++; // int add(int,int)函数的返回值为非常量右值 int&& ncRightRef3 = add(1, 2);  // lambda表达式为非常量右值 int&& ncRightRef4 = [] {return 5; }();  // 成员函数int GetWidth()返回值为非常量右值 int&& ncRightRef5 = CRect().GetWidth();	No	该引用类型本身为非常量左值
常量右值引用	No	No	int ncLeft1 = 1; // ncLeft1+1为非常量右值 const int&& cRightRef1 = ncLeft1 + 1;  // 后缀自增表达式返回值为非常量右值 const int&& cRightRef2 = ncLeft1++;  // int add(int,int)函数的返回值为非常量右值 const int&& cRightRef3 = add(1, 2);  // lambda表达式为非常量右值 const int&& cRightRef4 = [] {return 5; }();  // 成员函数int GetWidth()返回值为非常量右值 const int&& cRightRef5 = CRect().GetWidth();	// 3为常量右值 const int&& cRightRef1 = 3;	该引用类型本身为常量左值

为临时对象的右值，它的生命周期很短暂，一般在执行完当前这条表达式之后，就释放了。

通过将其赋值给右值引用，可以在不进行昂贵的拷贝操作的情况下被“续命”，让其生命周期与右值引用类型变量的生命周期一样长。

右值引用的两个基本特性：移动语义(Move Semantics)和完美转发(Perfect Forwarding) 

移动语义(Move Semantics)

可将资源从一个对象转移到另一个对象；主要解决减少不必要的临时对象的创建、拷贝与销毁。

移动构造函数MyClass(Type&& a)：当构造函数参数是一个右值时，优先使用移动构造函数而不是拷贝构造函数MyClass(const Type& a)。

移动赋值运算符Type& operator = (Type&& a)：当赋值的是一个右值时，优先使用移动赋值而不是拷贝赋值运算符Type& operator = (const Type& a)。

struct MyClass
{
    std::string s;
    MyClass(const char* sz) : s(sz) 
    {
        std::cout << "MyClass sz:" << sz << std::endl;
    }
    MyClass(const MyClass& o) : s(o.s) 
    { 
        std::cout << "move failed!
"; 
    }

    MyClass(MyClass&& o) noexcept : s(std::move(o.s)) 
    {
        std::cout << "move success!
";
    }

    MyClass& operator=(const MyClass& other) { // copy assign
        s = other.s;
        return *this;
    }
    MyClass& operator=(MyClass&& other) noexcept { // move assign
        s = std::move(other.s);
        return *this;
    }

    static MyClass GetMyClassGo()
    {
        MyClass o("go"); // 注意：可能会被NRVO优化掉
        return o;
    }
};

int main(int arg, char* argv[])
{
    MyClass a1("how");
    MyClass a2("are");

    a2 = a1; // copy assign  注：a1是一个左值
    a2 = MyClass("you"); // move assign  注：MyClass("you")是一个右值

    MyClass a3(a1); // copy construct  注：a1是一个左值
    MyClass a4 = MyClass::GetMyClassGo(); // move construct  注：MyClass::GetMyClassGo()返回的是一个右值

    return 0;
}

使用std::move来实现移动语义

将一个左值或右值强制转化为右值引用。

std::move并不会移动任何东西，只是将对象的状态或者所有权从一个对象转移到另一个对象。注：只是转移，没有内存的搬迁或者内存拷贝。

① 基本类型（如：int、double等）被std::move移动后，其数值不会发生变化

② 复合类型被std::move移动后，处于一个未定义，但有效的状态（大部分成员函数仍有意义）例如：标准库中的容器类对象被移动后，会变成空容器

完美转发(Perfect Forwarding)

针对模板函数，使用全能引用将一组参数原封不动的传递给另一个函数。

原封不动指：左值、右值、是否为const均不变。带来如下3方面好处：

① 保证左值、右值的属性

② 避免不必要的拷贝操作

③ 避免模版函数需要为左值、右值、是否为const的参数来实现不同的重载

全能引用（universal references、转发引用）是一种特殊的模板引用类型，采用右值引用的语法形式（但它并不是右值引用）。如：template <class T> void func(T&& t) {}

T&& t在发生自动类型推断的时候，它是未定的引用类型（universal references），T取决于传入的参数t是右值还是左值。右值经过T&&变为右值引用，而左值经过T&&变为左值引用。 

std::move就是使用全能引用实现的。其定义如下：

template <typename T>
typename remove_reference<T>::type&& move(T&& t)
{
    return static_cast<typename remove_reference<T>::type &&>(t);
}


/*****************************************
std::remove_reference功能为去除类型中的引用

std::remove_reference<T &>::type ---> T
std::remove_reference<T &&>::type ---> T
std::remove_reference<T>::type ---> T
******************************************/
//原始的，最通用的版本
template <typename T> struct remove_reference{
    typedef T type;  //定义T的类型别名为type
};
 
//部分版本特例化，将用于左值引用和右值引用
template <class T> struct remove_reference<T&> //左值引用
{ typedef T type; }
 
template <class T> struct remove_reference<T&&> //右值引用
{ typedef T type; }  

① 当t为左值时，展开为：U&& move(U& t)    注：右值引用类型变量也是左值

② 当t为右值时，展开为：U&& move(U&& t)

最后，通过static_cast<>进行强制类型转换返回右值引用。注：static_cast之所以能使用类型转换，是通过remove_refrence::type模板移除T&&，T&的引用，获取具体类型T（模板偏特化）。

引用折叠

规律：含左值引用就是左值引用，否则就是右值引用

不同组合情况	声明类型	折叠类型
引用的引用	&  &	&
右值引用的引用	&&  &	&
引用的右值引用	&  &&	&
右值引用的右值引用	&&  &&	&&

使用std::forward实现参数的完美转发。其定义如下：

template <typename T>
T&& forward(remove_reference_t<T>& arg) // forward an lvalue as either an lvalue or an rvalue
{ 
    return static_cast<T&&>(arg);
}

template <typename T>
T&& forward(remove_reference_t<T>&& arg) // forward an rvalue as an rvalue
{ 
    static_assert(!is_lvalue_reference_v<T>, "bad forward call");
    return static_cast<T&&>(arg);
}

最后，通过static_cast<>进行引用折叠，并强制类型转换后，实现原封不动转发参数。

void bar(int& a, int&& b)
{
    int c = a + b;
}

void func(int a, int&& b)
{
    int c = a + b;
}

template <typename A, typename B>
void foo(A&& a, B&& b) { // a, b为左值引用或右值引用
    bar(std::forward<A>(a), std::forward<B>(b)); // 在std::forward转发前后，参数a，b的类型完全不变
}

int main(int arg, char* argv[])
{
    int a = 10;

    foo(a, 20); // 展开为void foo(int& a, int&& b)，经过std::forward完美转发后，会调用到void bar(int& a, int&& b)函数

    func(std::forward<int>(a), std::forward<int&&>(30)); // 经过std::forward完美转发后，会调用到void func(int a, int&& b)函数

    return 0;
}

参考

Value categories, and references 

std::move原理实现与用法总结

Lvalues 和 Rvalues (C++)