C++11新特性(右值引用,万能转发)

这篇文章是C++的重中之重,通过这篇文章你能体会到C/C++大佬们对性能的极致追求,你能感受到独属C/C++人的浪漫,对高消耗的零容忍,对高性能的不倦探索。右值引用是由Scott Meyers在他的著名书籍《Effective C++》中提出的,因为其重要性,很快就被C++委员会加入到C++11之中,接下来一起探讨右值引用的神奇之处

在阅读此篇文章前,请务必确保你已经知道引用,构造函数,拷贝构造等概念

 

目录

何为左值,右值 

左值引用 

右值引用 

左值引用的作用和不足 

右值引用的作用 

右值引用的无奈

万能转发


何为左值,右值 

引用我们都知道,给变量取别名,能够像指针一样使用变量,但要搞明白左值引用和右值引用,我们得先区分一下何为左值,何为右值。有些同学认为在赋值符号 "=" 右边的就是右值,在其左边的就是左值,这种说法是不准确的,如下例

int a = 10;
int b = 20;
a = b;
//你能说此时的b是一个右值吗?

还有的同学说,能够被修改值的就是左值,不能被修改值的就是右值,这种说法也是不准确的,看下列代码 

const int a = 10;
int b = 20;
a = b;
//此时的a无法被改值,但是你能说a是右值吗?

基于左值右值的一些特性,笔者对左值右值换个容易理解的定义:对于某个变量我们可以获取它的地址+可以对它赋值(被const修饰的无法赋值),那我们可以称其为左值。注意:左值可以出现在 "=" 的右边,但是右值不能出现在 "=" 左边,右值不能被赋值和取地址

常见的右值:字面常量、表达式返回值,函数返回值,将亡值

int a = 10, b = 20, c = 30; 
//a 是左值, 10是字面常量是右值a = b + c;
//a是左值,(b + c)是个表达式,表达式是右值a = min(b, c);
//a 是左值,min(b, c)返回值是个右值

左值引用 

我们平时使用的引用基本都是左值引用,在没了解过右值引用概念之前,很少有人闲着去给引用右值,我们平时使用左值引用,一般都是函数传参使用,代替传指针

void swap(int& a, int& b)
{int c = a;a = b;b = c;
}int main()
{int test1 = 10;int test2 = 20;swap(test1, test2);return 0;
}

 如此以来,test1和test2不用传地址过去就能够交换值,这是左值引用常见的用法

// 以下的b、c、*p都是左值
int* p = new int(0);
int b = 1;
const int c = 2;// 以下几个是对上面左值的左值引用
int*& rp = p;
int& rb = b;
const int& rc = c;

如果对左值仍有不了解的地方, 请翻阅笔者前面写的关于左值的文章

右值引用 

左值引用相当于给左值取别名,那么右值引用就是给右值取别名了,这么说也是可以,C++中的右值引用是使用&&来标识,如下列

int&& test_1 = 10;
//test_1引用字面常量10int x = 10, y =20;
int&& test_2 = x+y;
//test_2引用表达式的值

右值引用不可以引用左值,如果要引用左值,必须使用move()将左值转换成右值  

int test1 = 10;int&& b = test1;//不可,因为test1是左值,右值无法引用左值int&& b = std::move(test1) //可以,move()将test1转化成了右值

右值是不能取地址的,但是给右值取别名后,会导致右值被存储到特定位置,且可以取到该位置的地址。虽不能取字面量10的地址,但是b引用后,可以取b的地址,也可以修改b。若不想b被修改,可以用const int&& b 去引用,修改b了解一下即可,右值引用的使用场景并不在于此,不重要 

//10是字面常量不可以取地址
//b右值引用10后需要存储,可以取b的地址
int&& b = 10;
cout << (void*)b <<endl;//也可以修改b的值,但是这没有什么意义
b = 20;
cout << b <<endl; //b的值此时为20

左值引用的作用和不足 

先来看看左值引用的作用,一般我们使用左值引用最多的场景就是函数传参和传返回值,类似于传指针一样,但是用起来比指针舒服多了,指针还要取地址,还要解引用

typedef struct test {int a;int b;int c;
}test;void fun(test& tmp1, test& tmp2)
{//do something//...
}int main()
{test t1 = { 10,10,10 };test t2 = { 20,20,20 };fun(t1, t2);return 0;
}

上述代码中,我们通过传左值引用,可以很好的减少传值拷贝带来的消耗,struct 占用空间越大,传左值引用节省的空间和时间就越明显。指针能做到,但是指针没有引用简洁方便

但是传左值引用也有它解决不了的场景,我们看下述代码示例 

vector<vector<int>> test()
{vector<vector<int>> tmp(1000);for (int i = 0; i < tmp.size(); i++)tmp[i].resize(1000);//do something...return tmp;
}int main()
{vector<vector<int>> tt;tt = test();return 0;
}

遇到这样的场景怎么办,tmp是一个非常大的二级vector, 直接返回tmp,这个拷贝消耗太大了,我们来仔细分析一下,如下图

可见,简简单单的一个返回,会带来一次拷贝构造,一次赋值重载,拷贝构造和赋值重载对空间和性能消耗差不多,都是非常恐怖的,何况这是一个二级vector,涉及到深拷贝。

这里我们换一种写法,编译器会进行一次优化,如下图

说了那么多,好像没提到使用左值引用,因为这里不可以使用左值引用

我们来分析如果以传引用的形式返回会发生什么

这样看着传左值引用返回,确实可以节省一半的开销, 但你不要忘了,tmp出了栈之后会立马调用析构给自身的资源给释放了,也就是说临时空间里引用的tmp是一个已经被销毁释放了资源的二级vector,再去赋值给tt,程序会崩溃的

这种写法,和上述的结果一样,tmp是在test这个栈帧里创建的,返回值返回后,该栈帧及tmp对象被销毁,tt在引用一块已经销毁的空间,这是绝不允许的

这种场景有一种解决方法就是使用输出型参数,C语言经常应用这种写法,但是这种方法用起来比较别扭, 不利于对代码的阅读

所谓输出型参数就是说,在test函数里创建的tmp传引用返回后不是会被销毁嘛,那我就提前在main函数里把tmp给创建好,然后传左值引用把tmp传过去,这样连返回值都不需要,就像C语言要改值传指针一样

这种写法别扭,函数参数看起来也很长,如果多几个参数,用起来就让人头大 

上面讨论的场景就是左值引用没法很好解决的场景

而右值引用的出现,就是在填补这一块的不足

右值引用的作用 

还记得我们前面提到常见的右值有字面常量,表达式,函数返回值,将亡值

前面三个都好理解,可是将亡值是什么意思,顾名思义,就是快死去了,这里的快死去是指该值的生命周期要到头了,举个例子

vector<int> test()
{vector<int> tmp(1000);//do something...return tmp;//这里的tmp就是将亡值,因为栈帧销毁后,其生命周期即到头//编译器会将这里的tmp其识别为右值
}int main()
{	vector<int> tt = test();return 0;
}

tmp是将亡值,属于右值,可这有何用处呢?

虽然你是将亡值, 可你tmp身上存着很多要返回的数据(也就是还背着很多的资源),返回的过程就是tmp把自身的资源拷贝给临时变量,然后自身资源释放,临时变量也是如此,临时变量要把资源拷贝给tt,然后自身资源释放

这里的tmp和临时变量都是将亡值,拷贝后就死掉了,拷贝资源的过程是相当消耗计算机时间和空间的,这个过程也太浪费了

既然将亡值都快死了,死了自身资源也是释放,干脆不要进行资源拷贝了,直接把你身上的资源转移给我,tmp内部指向资源的指针交换给临时变量,临时变量也是将亡值,也不要拷贝了,直接把指向资源的指针交换给tt,交换资源的消耗相比拷贝资源不值一提

可见将亡值能玩得一好手偷天换日,乾坤大挪移

不能光说,得实现出来呀,实现这种玩法的关键就是移动构造,移动赋值

我们逐个分析,为了更好的分析这个过程,笔者把曾经实现的string给拿出来,并进行大量删减,把用不到内容都给删掉,先熟悉一下代码,后续分析过程就使用这些代码

class mystring{public:mystring(const char* str = ""):_size(strlen(str)), _capacity(_size){_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}void swap(mystring& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}// 拷贝构造mystring(const mystring& s){mystring tmp(s._str);swap(tmp);cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;}// 赋值重载mystring& operator=(const mystring& s){		mystring tmp(s);swap(tmp);cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << endl;return *this;}~mystring(){delete[] _str;_str = nullptr;}private:char* _str = nullptr;size_t _size = 0;size_t _capacity = 0; };mystring test(){mystring str = "this is a test";return str;}

为了测试结果更加清晰,笔者把调用拷贝构造和调用赋值重载的情况都给打印出来,这样运行之后,我们就知道总共进行了几次拷贝,先演示一下没有移动构造和移动赋值的情况

调用了两次拷贝构造,一次赋值重载,为什么是两次拷贝构造呢?因为我们赋值重载的底层实现就是调用拷贝构造,所以就多打印了一次拷贝构造

ps:如果你使用的是vs2022,编译器会对返回值进行优化,看不到上述的情况,这时可以给返回值放到std::move()里面即可取消优化

分析可知,上述返回值是将亡值,临时变量也是将亡值,遇到这种将亡值直接转走资源 

这两次乾坤大挪移的关键就是移动构造和移动赋值,移动构造及移动赋值的定义框架如下 

mystring(mystring&& tmp_obj)
{}mystring& operator=(mystring&& tmp_obj)
{}

移动构造和移动赋值,本质上还是干着拷贝和赋值的工作,只不过以往拷贝构造和赋值重载接收到的对象是const 左值引用,因为不确定这个左值引用接下来是否还继续使用,我们不敢动这个左值引用,只能老老实实一步一步拷贝

但是移动构造和移动赋值接收到的参数是右值引用,右值引用意味着传过来的是一些将亡的,即将要销毁的对象,放心大胆的把它的资源给转走

库中的各个容器也都实现移动构造和移动赋值,以vector为例

库中的实现要考虑非常多的情况,我们仅仅是学习这种思想,怎么简单怎么来,我们自己动手实现简易版的移动构造和移动赋值,实现如下  

        //移动拷贝mystring(mystring&& s){swap(s);cout << "string(const string&& s) -- 移动拷贝" << endl;}//移动赋值mystring& operator=(mystring&& s){if (this != &s){swap(s);}cout << "string(const string&& s) -- 移动赋值" << endl;return *this;}

实现起来是不是非常简单,其实本质就是交换资源,直接swap一下指向资源的指针即可

下图是给mystring类增加移动构造,移动赋值后调用test函数的运行结果 

叫移动构造和移动拷贝都是可以的,如下是添加移动构造和移动赋值后的mystring类  

class mystring{public:mystring(const char* str = ""):_size(strlen(str)), _capacity(_size){_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}void swap(mystring& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}// 拷贝构造mystring(const mystring& s){cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;mystring tmp(s._str);swap(tmp);}// 赋值重载mystring& operator=(const mystring& s){cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << endl;mystring tmp(s);swap(tmp);return *this;}//移动拷贝mystring(mystring&& s){swap(s);cout << "string(const string&& s) -- 移动拷贝" << endl;}//移动赋值mystring& operator=(mystring&& s){if (this != &s){swap(s);}cout << "string(const string&& s) -- 移动赋值" << endl;return *this;}~mystring(){delete[] _str;_str = nullptr;}private:char* _str = nullptr;size_t _size = 0;size_t _capacity = 0; };

右值引用搭配移动构造和移动赋值,补齐了左值引用的短板,如此,C++提升程序效率的能力更近一步,不过右值引用可不仅是用于返回值的处理,接下来看看右值引用的另一个场景

下图代码,我们使用了list,元素类型为我们写的mystring类,并且屏蔽掉了我们写好的移动构造和移动赋值,然后push一个mystring匿名对象

由运行结果可知,mystring这个匿名对象如果作为参数传递给list,在没有移动构造的情况下,就是使用拷贝构造把这个匿名对象拷贝给list中的元素值,然后自身销毁,有了右值的概念,我们一眼就能看出这个匿名对象是一个将亡值,根本没有必要去拷贝,直接把资源转移给list中的元素值,下图是加上移动构造和移动赋值后的调用情况

可以看出,编译器会自动识别出这个匿名类对象是一个将亡值,然后会调用我们写好的移动构造,这可比之前调用拷贝构造的效率高多了

右值引用的无奈

右值引用也有一些无奈的场景

1.待拷贝对象中的成员变量只有浅拷贝

右值引用大显神威的场景就是有深拷贝,需要耗费大量资源去完成拷贝的地方

但是有些场景类本身所占用的内存容量不大,比如一个类中的成员变量是一个数组,这个时候右值引用并不会发挥更高效能,也是只能老老实实去拷贝一个数组,所以想提高程序的效率,成员变量占用内存稍大一点可以考虑换成堆区,而非栈区

2.待拷贝对象不明确是否为一个右值,编译器不敢将其识别为右值,如下图场景

这种场景下,即使test_2我们后续不使用了,但是它并没有明确指定为右值,至少它现在还是一个左值,编译器又不知道你后续是否还使用test_2,所以编译器不敢去调用移动赋值,把test_2的资源给换走,只能老老实实走赋值重载

当然这种场景也是可以解决的,如果你明确test_2不再使用,那么你可以使用std::move(),将test_2给转换为右值,这样编译器就敢去交换了,但是切记,不要乱用,如果你后续某个东西用到了test_2,后悔都来不及,如下图 

使用std::move()将test_2明确转换为右值,编译器就会去调用移动赋值

万能转发

在前面讲述过程中,我们提到了这么一个场景,就是用库中的list去push一个我们实现的mystring匿名类,然后程序就调用了我们的移动构造,这就意味着我们要重载一次push函数,一个push的参数是左值引用,另一个就是右值引用,根据传过来的参数选择调用哪个

现在请大家看这么一个场景   

    void fun(int& x) { std::cout << "左值引用" << endl; }void fun(int&& x) { std::cout << "右值引用" << endl; }void fun_call(int&& val){fun(val);}int main(){fun_call(10);return 0;}

看一下运行结果

怎么回事,怎么调用了左值引用,我们传的参数可是字面常量10呀,仔细分析就可以发现,确实我们传的参数就是字面常量10,也确实被右值引用val给接收了,但不要忘了,右值引用变量val本身是一个左值,它只是接收并绑定一个右值,你把val作为参数是在传左值

这就引出了一个问题,右值身份的中转失效,上列的代码中,我们通过中转函数fun_call中转调用fun,而这一次中转,传过去的右值会被右值引用变量接收,但是右值引用变量本身是一个左值,这就导致右值身份在中转过程中失效

还有一个问题呀,你这个中转函数fun_call()的参数是int&& val,val只能接收右值,不能接收左值,,改成int& val倒是可以接收右值和左值,但是右值会当成左值被中转,就丧失了传右值的作用,有没有办法能够让这个中转函数fun_call()既能接收右值,又能接收左值呢?

有的,C++给我们提供了模板&&引用,看下述代码

    void fun(int& x) { std::cout << "左值引用" << endl; }void fun(int&& x) { std::cout << "右值引用" << endl; }template <class T>void fun_call(T&& val){fun(val);}

如此以来,val既能接收右值又能接收左值了

这好像没啥变化呀,不就是把前面int给改成了模板类型T了吗?本质不还是右值引用吗?

这里的 T&&val 可不是T类型的右值引用,而是C++模板提供的不确定类型引用

也就是说这个东西不仅可以接收右值引用,还可以接受左值引用,除此之外,还可以接收const左值引用和const右值引用,我们也称其为引用折叠

现在我们解决了fun_call()这个中转函数只能接收固定类型参数的问题

现在我们该解决最初提到的右值中转失效的问题

C++给出的解决方法就是完美转发:std::forward

完美转发在传参的过程中保留对象原生类型属性,也就是说val如果是右值引用,那么使用完美转发后,把val作为参数,就会将其视为右值

val如果是左值引用,那么使用完美转发后,把val作为参数,就会将其视为左值

用咱们之前的程序测试一下结果如何

使用模板和完美转发后,确实解决了我们前面提到的这些问题,这些在程序编写中还是很常用的,希望大家能够掌握

我们前面模拟实现的list,其就涉及到了中转调用的问题,当你发现中转调用,右值引用失效时,那么你可以尝试使用完美转发来解决

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