27. 右值引用
一、什么是右值引用
右值引用是 C++11 中引入的一种重要特性，它主要用于支持移动语义和完美转发。右值引用 是对右值（即临时对象或即将被销毁的对象）的引用，允许我们直接操作这些对象的资源，而无需进行拷贝。在 C++98 中，临时对象（右值）在赋值给函数参数时，只能被接受为 const 引用，这意味着函数无法修改这些对象的值。C++11 引入右值引用后，我们可以使用非常量引用（即右值引用）来接收这些临时对象，并在函数中直接操作它们。
左值和右值是表达式的分类，它们的主要区别在于表达式的值是否可以取地址。左值是可以取地址的表达式，而右值通常是不能取地址的表达式。
- 左值（Lvalue）：通常有明确存储地址的表达式，如变量、对象的名称等。
- 右值（Rvalue）：通常是没有明确存储地址的表达式，如字面量、临时对象、返回临时对象的表达式等。
右值引用是对右值的引用，它使用 && 操作符来声明。右值引用的主要目的是为了实现移动语义，即允许资源的所有权从一个对象转移到另一个对象，从而避免不必要的拷贝，提高性能。
#include <iostream>
using namespace std;
int main(void)
{
int num= 10; // 左值
int &a = num; // 左值引用
int && b = 30; // 右值引用
const int &c = num; // 常量左值引用
const int &&d = 50; // 常量右值引用
// 左值引用可以使用右值引用初始化
int &e = b;
const int &f = b;
const int &g = d;
// 右值引用只能使用右值初始化
return 0;
}
二、右值引用的作用
右值引用就是对一个右值进行引用的类型。因为右值是匿名的，所以我们只能通过引用方式找到它。无论声明左值引用还是右值引用都必须立即进行初始化，这是因为引用本身并不拥有所绑定对象的内存，它只是该对象的一个别名。通过右值引用的声明，该右值又 “重获新生”，其 生命周期与右值引用类型变量的生命周期一样，只要该变量还存活，该右值临时变量将会一直存活下去。
#include <iostream>
using namespace std;
class MyClass
{
private:
int *p;
public:
MyClass(void); // 无参构造函数
MyClass(const MyClass &other); // 拷贝构造函数
~MyClass(void); // 析构函数
};
MyClass::MyClass(void) : p(new int(100))
{
cout << "Constructor called" << endl;
}
MyClass::MyClass(const MyClass &other) : p(new int(*other.p))
{
cout << "Copy constructor called" << endl;
}
MyClass::~MyClass(void)
{
cout << "Destructor called" << endl;
delete p;
}
MyClass getMyClass(void)
{
MyClass temp;
return temp; // 返回一个临时对象，这是一个右值
}
int main(void)
{
MyClass obj = getMyClass();
return 0;
}
这里，我们要使用命令 gcc -o template.cpp -fbi-elide-constructors 来手动编译 C++ 程序，使用命令行参数 -fno-elide-constructors 用于关闭函数返回值优化（RVO）。这是因为 GCC 的 RVO 优化会减少复制构造函数的调用。
运行这段程序，会发现该程序发生三次构造。首先 getMyClass() 函数中 MyClass temp;会调用 无参的构造函数，然后 return temp;会使用 复制构造 产生临时对象，接着 MyClass obj = GetMyClass(); 会使用 复制构造 将临时对象复制到 obj，最后临时对象被销毁。
但如果将 MyClass obj = getMyClass();替换为 MyClass &&obj = getMyClass(); 使用右值引用后，会调用两次构造函数，一次是 getMyClass() 中 MyClass temp 会调用 无参的构造函数，另一次是 return temp; 会使用 复制构造 产生临时对象。不同的是，由于 obj 是一个右值引用，引用的对象是函数 getMyClass() 返回的临时对象，因此该临时对象的生命周期得到延长，所以我们可以在 MyClass &&obj = getMyClass() 语句结束后继续调用该对象的其它方法而不会发生任何问题。
三、移动语义
上述代码中 3 次构造函数的调用，不难发现第二次和第三次的复制构造是影响性能的主要原因。在这个过程中都有临时对象参与进来，而临时对象本身只是做数据的复制。如果能将临时对象的内存直接转移到 obj 对象中，就能消除内存复制对性能的消耗。在 C++11 标准中引入了 移动语义，它可以帮助我们将临时对象的内存移动到 obj 对象中，以避免内存数据的复制。
#include <iostream>
using namespace std;
class MyClass
{
private:
int *p;
public:
MyClass(void); // 无参构造函数
MyClass(const MyClass &other); // 拷贝构造函数
MyClass(MyClass &&other); // 移动构造函数
~MyClass(void); // 析构函数
};
MyClass::MyClass(void) : p(new int(100))
{
cout << "Constructor called" << endl;
}
MyClass::MyClass(const MyClass &other) : p(new int(*other.p))
{
cout << "Copy constructor called" << endl;
}
MyClass::MyClass(MyClass &&other) : p(other.p)
{
cout << "Move constructor called" << endl;
other.p = nullptr;
}
MyClass::~MyClass(void)
{
cout << "Destructor called" << endl;
delete p;
}
MyClass getMyClass(void)
{
MyClass temp;
return temp; // 返回一个临时对象，这是一个右值
}
int main(void)
{
MyClass obj1 = getMyClass();
return 0;
}
在上面的代码中 MyClass 类中增加了构造函数 MyClass(MyClass&& other)，它的形参是一个 右值引用 类型，称为 移动构造函数。
对于 复制构造函数 而言形参是一个 左值引用，也就是说函数的实参必须是一个具名的 左值，在复制构造函数中往往进行的是 深复制，即在不能破坏实参对象的前提下复制目标对象。而 移动构造函数 恰恰相反，它接受的是一个 右值，其核心思想是通过 转移实参对象的数据 以达成构造目标对象的目的，也就是说实参对象是会被修改的。
运行程序可以发现，后面两次的构造函数变成了 移动构造函数，因为这两次操作中源对象都是 右值（临时对象），对于右值编译器会优先选择使用移动构造函数去构造目标对象。当移动构造函数不存在的时候才会退而求其次地使用复制构造函数。在移动构造函数中使用了指针转移的方式构造目标对象，所以整个程序的运行效率得到大幅提升。
四、完美转发
完美转发（Perfect Forwarding）是 C++11 中引入的一个特性，它允许在函数模板中将参数连同其值类别（左值或右值）不变地转发给另一个函数。这意味着如果原始参数是一个左值，它将被转发为左值；如果原始参数是一个右值，它将被转发为右值。完美转发通常涉及到两个函数模板：std::forward 和 std::move。std::forward 模板函数用于转发参数，而 std::move 用于将左值转换为右值引用。
#include <iostream>
#include <type_traits>
using namespace std;
void printValue(int& value)
{
cout << "Lvalue reference to: " << value << endl;
}
void printValue(int&& value)
{
cout << "Rvalue reference to: " << value << endl;
}
template<typename T>
void forwardValue(T &&value)
{
printValue(std::forward<T>(value));
}
int main(void)
{
int x = 42;
forwardValue(x); // 转发左值
forwardValue(42); // 转发右值
forwardValue(std::move(x)); // 强制转为右值并转发
return 0;
}
在这个示例中，forwardValue 是一个模板函数，它接受一个通用引用参数 T&&。使用 std::forward<T>(value)，我们可以将参数 value 连同其值类别完美地转发给 printValue() 函数。这样，printValue() 函数就能根据接收到的参数是左值还是右值来选择正确的重载版本。
