右值引用、移动语义和完美转发(上)

c++中引入了右值引用移动语义,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:

  1. 左值引用, 使用 T&, 只能绑定左值
  2. 右值引用, 使用 T&&, 只能绑定右值
  3. 常量左值, 使用 const T&, 既可以绑定左值又可以绑定右值
  4. 已命名的右值引用,编译器会认为是个左值
  5. 编译器有返回值优化,但不要过于依赖

 

 

 

 

posted @ 2019-09-26 21:06  DH_HUSTer  阅读(19)  评论(0编辑  收藏  举报