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  • C++ 11 右值引用

      C++11中引入的一个非常重要的概念就是右值引用。理解右值引用是学习“移动语义”(move semantics)的基础。而要理解右值引用,就必须先区分左值与右值。

    注意:左值右值翻译可能有些问题
    
        *L-value中的L指的是location,表示可寻址。
    
        *R-value中的R指的是read,表示可读。

      对左值和右值的一个最常见的误解是:赋值运算符左边的就是左值,赋值运算符右边的就是右值。左值和右值都是针对表达式而言的,左值是指表达式结束后依然存在的持久化对象,右值是指表达式结束时就不再存在的临时对象。一个区分左值与右值的便捷方法是:看能不能对表达式取地址,如果能,则为左值,否则为右值。下面给出一些例子来进行说明:

    1 int a = 10;
    2 int b = 20;
    3 int *ptr = &a;
    4 vector<int> vec;
    5 vec.push_back(1);
    6 string str1 = "Hello ";
    7 string str2 = "world";
    8 const int& m = 12;

      请问,a、b、a+b、a++、++a、ptr、*ptr、vec[0]、100、string("Hello")、str1、str1+str2、m分别是左值还是右值?

      a和b都是持久对象(可以对其取地址),是左值;

      a+b是临时对象(不可以对其取地址),是右值;

      a++是先取出持久对象a的一份拷贝,再使持久对象a的值加1,最后返回那份拷贝,而那份拷贝是临时对象(不可以对其取地址),故其是右值;

      ++a则是使持久对象a的值加1,并返回那个持久对象a本身(可以对其取地址),故其是左值;

      ptr和*ptr都是持久对象(可以对其取地址),是左值;

      vec[0]调用重载的[]操作符,而[]操作符返回的是一个int&,为持久对象(可以对其取地址),是左值;

      100和string("Hello")是临时对象(不可以对其取地址),是右值;

      str1是持久对象(可以对其取地址),是左值;

      str1 + str2 是调用了+操作符,而+操作符返回的是一个string(不可以对其取地址),故其为右值;

      m是一个常量引用,引用到一个右值,但引用本身是一个持久对象(可以对其取地址),为左值。

      区分清楚了左值与右值,再来看看左值引用。左值引用根据其修饰符的不同,可以分为非常量左值引用和常量左值引用。

      非常量左值引用只能绑定非常量左值,不能绑定常量左值、非常量右值和常量右值。如果允许绑定到常量左值和常量右值,则非常量左值引用可以用于修改常量左值和常量右值,这明显违反了常量的含义。如果允许绑定到非常量右值,则会导致非常危险的情况出现,因为非常量右值是一个临时对象,非常量左值引用可能会使用一个已经被销毁了的临时对象。

      常量左值引用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。

      可以看出,使用左值引用时,无法区分出绑定的是否是非常量右值的情况。那么,为什么要对非常量右值进行区分呢,区分出来又有什么好处呢?这就牵涉到C++中一个著名的性能问题——拷贝临时对象。考虑下面的代码:

    1 vector<int>  GetAllScores()
    2 {
    3      vector<int> vctTemp;
    4      vctTemp.push_back(90);
    5      vctTemp.push_back(95);
    6      return vctTemp;   
    7 }

      当使用vector<int> vctScore = GetAllScores()进行初始化时,实际上调用了三次构造函数。尽管有些编译器可以采用RVO(Return Value Optimization)来进行初始化,但优化工作只在某些特定条件下才能进行。可以看到,上面很普通的一个函数调用,由于存在临时对象的拷贝,导致了额外的两次拷贝构造函数和析构函数的开销。当然,我们也可以修改函数的形式为void GetAllScores(vector<int> &vctScore),但这并不一定就是我们需要的形式。另外,考虑下面的字符串的链接操作:
      

    1 string s1("hello");
    2 string s = s1 + "a" + "b" + "c" + "d" + "e";

      在对s进行初始化时,会产生大量的临时变量,并涉及到大量字符串的拷贝操作,这显然会影响程序的效率和性能。怎么解决这个为题呢?如果能确定某个值是一个非常量右值(或者是一个以后不会再使用的左值),则在进行临时对象的拷贝时,可以不用拷贝实际的数据,而只是“窃取”指向实际数据的指针(类似于STL中的auto_ptr,会转移所有权)。C++11中引入的右值引用正好可用于标识一个非常量右值。C++11中用&表示左值引用,用&&表示右值引用,如:

    int &&a = 10;

      右值引用根据其修饰符的不同,也可以分为非常量右值引用和常量右值引用。

      非常量右值引用只能绑定非常量右值,不能绑定到非常量左值、常量左值和常量右值。如果允许绑定到非常量左值,则可能会错误地窃取一个持久对象的数据,而这是非常危险的;如果允许绑定到常量左值和常量右值,则非常量右值引用可以用于修改常量左值和常量右值,这明显违反了其常量的含义。

      常量右值引用可以绑定到非常量右值和常量右值,不能绑定到非常量左值和常量左值(理由同上)。

      有了右值引用的概念,我们就可以用它来实现下面的CMyString类。

     1 class CMyString
     2 {
     3 public:
     4     CMyString(const char* str = nullptr)
     5     //构造函数
     6     {
     7         cout << "CMyString(const char *str = nullptr)" << endl;
     8         if (str == nullptr)
     9         {
    10             m_pData = new char[1];
    11             *m_pData = '';
    12         }
    13         else
    14         {
    15             m_pData = new char[strlen(str) + 1];
    16             strcpy(m_pData, str);
    17         }
    18     }
    19     
    20     CMyString(const CMyString& s)
    21     //拷贝构造函数
    22     {
    23         cout << "CMyString(const CMyString &s)" << endl;
    24         m_pData = new char[strlen(s.m_pData) + 1];
    25         strcpy(m_pData, s.m_pData);
    26     }
    27     
    28     CMyString(CMyString &&s)
    29     //move构造函数
    30     {
    31         cout << "CMyString(CMyString &&s)" << endl;
    32         m_pData = s.m_pData;
    33         s.m_pData = nullptr;
    34     }
    35     
    36     ~CMyString()
    37     //析构函数
    38     {
    39         cout << "~CMyString()" << endl;
    40         delete [] m_pData;
    41         m_pData = nullptr;
    42     }
    43     
    44     CMyString& operator=(const CMyString& s)
    45     //拷贝赋值函数
    46     {
    47         cout << "CMyString& operator=(const CMyString& s)" << endl;
    48         if (this != & s) {
    49             delete [] m_pData;
    50             m_pData = new char[strlen(s.m_pData) + 1];
    51             strcpy(m_pData, s.m_pData);
    52         }
    53         return *this;
    54     }
    55     
    56     CMyString& operator=(CMyString&& s)
    57     //move赋值函数
    58     {
    59         cout << "CMyString& operator=(CMyString&& s)" << endl;
    60         if (this != &s) {
    61             delete [] m_pData;
    62             m_pData = s.m_pData;
    63             s.m_pData = nullptr;
    64         }
    65         return *this;
    66     }
    67 private:
    68     char *m_pData;
    69 };

      可以看到,上面添加了move版本的构造函数和赋值函数。那么,添加move版本后,对类的自动生成规则有什么影响呢?唯一的影响就是,如果提供了move版本的构造函数,则不会生成默认的构造函数。另外,编译器永远不会自动生成move版本的构造函数和赋值函数,它们需要显式地添加。

      当添加了move版本的构造函数和赋值函数的重载形式后,某一个函数调用应当使用哪一个重载版本呢?下面是按照判决的优先级列出的3条规则:

        1、常量值只能绑定到常量引用上,不能绑定到非常量引用上;

        2、左值优先绑定到左值引用上,右值优先绑定到右值引用上;

        3、非常量值优先绑定到非常量引用上。

      当给构造函数或赋值函数传入一个非常量右值时,依据上面给出的判决规则,可以得出会调用move版本的构造函数或赋值函数。而在move版本的构造函数或赋值函数内部,都是直接“移动了”其内部数据的指针(因为它是非常量右值,是一个临时对象,移动了其内部数据的指针不会导致任何问题,它马上就要被销毁了,只是重复利用了其内存),这样就省去了拷贝数据的大量开销。

      一个需要注意的地方是,拷贝构造函数可以通过直接调用*this = s来实现,但move构造函数却不能。这是因为在move构造函数中,s虽然是一个非常量右值引用,但其本质却是一个左值(是持久对象,可以对其取地址),因此调用*this = s时,会使用拷贝赋值函数而不是move赋值函数,而这已与move构造函数的语义不符。要使语义正确,需要将左值绑定到非常量右值引用上,C++11提供了move()函数来实现这种转换,因此可以修改为*this = move(s),这样move构造函数就会调用move赋值函数。

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