右值引用、移动语义和完美转发(上)
c++中引入了右值引用
和移动语义
,可以避免无谓的复制,提高程序性能。
左值、右值
C++
中所有的值都必然属于左值、右值二者之一。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。
所有的具名变量或者对象都是左值,而右值不具名。很难得到左值和右值的真正定义,但是有一个可以区分左值和右值的便捷方法:看能不能对表达式取地址,如果能,则为左值,否则为右值。
看见书上又将右值分为将亡值和纯右值。纯右值就是c++98
标准中右值的概念,如非引用返回的函数返回的临时变量值;一些运算表达式,如1+2产生的临时变量;不跟对象关联的字面量值,如2,'c',true,"hello";这些值都不能够被取地址。
而将亡值则是c++11
新增的和右值引用相关的表达式,这样的表达式通常是将要移动的对象、T&&
函数返回值、std::move()
函数的返回值等。
不懂将亡值和纯右值的区别其实没关系,统一看作右值即可,不影响使用。
示例:
int i=0;// i是左值, 0是右值
class A {
public:
int a;
};
A getTemp()
{
return A();
}
A a = getTemp(); // a是左值 getTemp()的返回值是右值(临时变量)
左值引用、右值引用
c++98
中的引用很常见了,就是给变量取了个别名,在c++11
中,因为增加了右值引用(rvalue reference)的概念,所以c++98
中的引用都称为了左值引用(lvalue reference)。
int a = 10;
int& refA = a; // refA是a的别名, 修改refA就是修改a, a是左值,左边是左值引用
int& b = 1; //编译错误! 1是右值,不能够使用左值引用
c++11
中的右值引用使用的符号是&&
,如
int&& a = 1; //实质上就是将不具名(匿名)变量取了个别名
int b = 1;
int && c = b; //编译错误! 不能将一个左值复制给一个右值引用
class A {
public:
int a;
};
A getTemp()
{
return A();
}
A && a = getTemp(); //getTemp()的返回值是右值(临时变量)
getTemp()
返回的右值本来在表达式语句结束后,其生命也就该终结了(因为是临时变量),而通过右值引用,该右值又重获新生,其生命期将与右值引用类型变量a
的生命期一样,只要a
还活着,该右值临时变量将会一直存活下去。实际上就是给那个临时变量取了个名字。
注意:这里a
的类型是右值引用类型(int &&
),但是如果从左值和右值的角度区分它,它实际上是个左值。因为可以对它取地址,而且它还有名字,是一个已经命名的右值。
所以,左值引用只能绑定左值,右值引用只能绑定右值,如果绑定的不对,编译就会失败。但是,常量左值引用却是个奇葩,它可以算是一个“万能”的引用类型,它可以绑定非常量左值、常量左值、右值,而且在绑定右值的时候,常量左值引用还可以像右值引用一样将右值的生命期延长,缺点是,只能读不能改。
const int & a = 1; //常量左值引用绑定 右值, 不会报错
class A {
public:
int a;
};
A getTemp()
{
return A();
}
const A & a = getTemp(); //不会报错 而 A& a 会报错
事实上,很多情况下我们用来常量左值引用的这个功能却没有意识到,如下面的例子:
#include <iostream>
using namespace std;
class Copyable {
public:
Copyable(){}
Copyable(const Copyable &o) {
cout << "Copied" << endl;
}
};
Copyable ReturnRvalue() {
return Copyable(); //返回一个临时对象
}
void AcceptVal(Copyable a) {
}
void AcceptRef(const Copyable& a) {
}
int main() {
cout << "pass by value: " << endl;
AcceptVal(ReturnRvalue()); // 应该调用两次拷贝构造函数
cout << "pass by reference: " << endl;
AcceptRef(ReturnRvalue()); //应该只调用一次拷贝构造函数
}
当我敲完上面的例子并运行后,发现结果和我想象的完全不一样!期望中AcceptVal(ReturnRvalue())
需要调用两次拷贝构造函数,一次在ReturnRvalue()
函数中,构造好了Copyable
对象,返回的时候会调用拷贝构造函数生成一个临时对象,在调用AcceptVal()
时,又会将这个对象拷贝给函数的局部变量a
,一共调用了两次拷贝构造函数。而AcceptRef()
的不同在于形参是常量左值引用,它能够接收一个右值,而且不需要拷贝。
而实际的结果是,不管哪种方式,一次拷贝构造函数都没有调用!
这是由于编译器默认开启了返回值优化(RVO/NRVO, RVO, Return Value Optimization 返回值优化,或者NRVO, Named Return Value Optimization)。
编译器很聪明,发现在ReturnRvalue
内部生成了一个对象,返回之后还需要生成一个临时对象调用拷贝构造函数,很麻烦,所以直接优化成了1个对象,避免拷贝,而这个临时变量又被赋值给了函数的形参,还是没必要,所以最后这三个变量都用一个变量替代了,不需要调用拷贝构造函数。
虽然各大厂家的编译器都已经都有了这个优化,但是这并不是c++
标准规定的,而且不是所有的返回值都能够被优化,而这篇文章的主要讲的右值引用,移动语义可以解决编译器无法解决的问题。
为了更好的观察结果,可以在编译的时候加上-fno-elide-constructors
选项(关闭返回值优化)。
// g++ test.cpp -o test -fno-elide-constructors
pass by value:
Copied
Copied //可以看到确实调用了两次拷贝构造函数
pass by reference:
Copied
上面这个例子本意是想说明常量左值引用能够绑定一个右值,可以减少一次拷贝(使用非常量的左值引用会编译失败),但是顺便讲到了编译器的返回值优化。。编译器还是干了很多事情的,很有用,但不能过于依赖,因为你也不确定它什么时候优化了什么时候没优化。
总结一下,其中T
是一个具体类型:
- 左值引用, 使用
T&
, 只能绑定左值 - 右值引用, 使用
T&&
, 只能绑定右值 - 常量左值, 使用
const T&
, 既可以绑定左值又可以绑定右值 - 已命名的右值引用,编译器会认为是个左值
- 编译器有返回值优化,但不要过于依赖