C++11：右值引用、移动语义和完美转发

前言

1. 左值引用和右值引用

2. 引用范围

3. 左值引用的缺陷

4. 右值引用的作用

5. 右值引用的深入场景

6. 完美转发

总结

前言

C++11作为一次重大的更新，引入了许多革命性的特性，其中之一便是右值引用和移动语义。本文将深入探讨其中引入的右值及其相关概念，帮助读者更好地理解这一特性，从而在编程实践中更有效地利用它。

1. 左值引用和右值引用

C++98中有引用的用法，而C++11中新增了右值引用的语法特性，之前学习的引用都是左值引用。不管是左值引用还是右值引用，都是给对象取别名。那什么左值和左值引用？还有右值和右值引用？

左值是一个表示数据的表达式。

具有固定的地址，可以获取它们的地址。
可以出现在赋值符号的左侧，对它进行赋值。
当用const修饰左值时，不能进行赋值，但是可以取地址。

左值引用就是对左值进行引用。

下面的例子中，有整型变量x，指针变量ptr，const修饰下整型变量y，字符串类变量s。上面的变量都是左值，都可以取地址。

int main()
{// 以下的x、y、ptr、s都是左值// 左值：可以取地址int x = 10;int* ptr = new int(0);const int y = 2;string s("11111");//左值引用int& r1 = x;int*& r2 = ptr;int& r3 = *ptr;const int& r4 = y;string& r5 = s;return 0;
}

右值是一个表示数据的表达式，如字面常量、临时对象、表达式返回值、函数返回值（左值引用类型返回除外）。

没有固定的内存地址，不能够获取其地址。
可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现在赋值符号的左边没有。

右值引用就是对右值进行引用。

int main()
{//右值：不能取地址double x = 2.5;//以下是常见的右值15;			     //字面常量x + 15;			 //表达式返回值fmin(x, y);		 //函数返回值string("11111"); //临时对象//右值引用int&& rr1 = 15;double&& rr2 = x + 15;double&& rr3 = fmin(x, y);string&& rr4 = string("1111111");return 0;
}

2. 引用范围

左值引用范围

左值引用一般情况下只能引用左值。
但加上const修饰之后，左值引用可以引用左值，还可以引用右值。

字面常量15被引用为整型变量时需要转换类型，中间会产生临时变量，临时变量具有常性。如果使用普通引用，可以对此引用进行修改，会导致权限放大。

int main()
{//右值：不能取地址double x = 2.5;//以下是常见的右值15;			     //字面常量x + 15;			 //表达式返回值fmin(x, y);		 //函数返回值string("11111"); //临时对象//右值引用int&& rr1 = 15;double&& rr2 = x + 15;double&& rr3 = fmin(x, y);string&& rr4 = string("1111111");//const修饰后，可以引用右值const int& rx1 = 15;const double& rx2 = x + 15;const double& rx3 = fmin(x, y);const string& rx4 = string("1111111");   return 0;
}

右值引用范围：

右值引用一般情况下只能引用右值。
但是右值引用可以引用move之后的左值。

int main()
{//右值引用int&& rr1 = 15;//无法引用左值，下面会报错int x =  10;int&& rr2 = x; //error//move之后，可以右值引用int&& rr3 = std::move(x);return 0;
}

3. 左值引用的缺陷

既然已经有左值引用，为什么还要搞出一个右值引用的概念，这是为什么呢？下面是用C++简单实现的string类。如果对字符串类不熟悉，可以转到这篇文章http://t.csdnimg.cn/Znclr。构造函数，拷贝构造函数和赋值重载函数内部都有打印函数原型，方便查看函数调用情况。

#include <assert.h>namespace Rustle
{class string{public:typedef char* iterator;iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}typedef const char* const_iterator;const_iterator begin() const{return _str;}const_iterator end() const{return _str + _size;}string(const char* str = ""):_size(strlen(str)), _capacity(_size){cout << "string(char* str)" << endl;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}// s1.swap(s2)void swap(string& s){::swap(_str, s._str);::swap(_size, s._size);::swap(_capacity, s._capacity);}// 拷贝构造string(const string& s):_str(nullptr){cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;reserve(s._capacity);for (const auto& ch : s){push_back(ch);}}// 赋值重载string& operator=(const string& s){cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << endl;if (this != &s){_str[0] = '\0';_size = 0;reserve(s._capacity);for (auto& ch : s){push_back(ch);}}return *this;}~string(){delete[] _str;_str = nullptr;}char& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];if (_str){strcpy(tmp, _str);delete[] _str;}_str = tmp;_capacity = n;}}void push_back(char ch){if (_size >= _capacity){size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;reserve(newcapacity);}_str[_size] = ch;++_size;_str[_size] = '\0';}void append(const char* str){size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}//s += 'a'string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}//s += "11111"string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}const char* c_str() const{return _str;}private:char* _str = nullptr;size_t _size = 0;size_t _capacity = 0; // 不包含最后做标识的\0};
}

左值引用的场景

左值引用给左值取别名。传递函数参数或者返回函数值时，可以减少拷贝，提高效率。

TestNonLeftRef函数参数类型是string类，函数参数是实参的临时拷贝，如果是自定义类型，会调用相应的拷贝构造，创建新的变量。
而TestLeftRef函数参数是string类引用，相当于给传过来的参数取别名，不会调用拷贝构造。
operator[]函数返回值类型是字符类型的引用，对字符进行取别名，不用进行拷贝。

void TestNonLeftRef(Rustle::string s)
{}void TestLeftRef(Rustle::string& s)
{}int main()
{Rustle::string s("111111");TestNonLeftRef(s);TestLeftRef(s);Rustle::string s1("xxxxxx");//operator[]返回值类型是//Rustle::char& operator[](size_t n);s1[0];return 0;
}

运行结果如下，main函数中创建s变量时调用了构造函数。接受参数为s的两个函数，只有TestNonLeftRef调用了拷贝构造。最后一个构造是创建s1变量调用的。

左值引用的缺陷

当函数返回的值是一个函数内的局部变量时，局部变量出了函数作用域就会被销毁,无法使用左值引用返回，只能进行传值返回。

Rustle::string GetStr(int flag)
{Rustle::string str;if (flag)str += "true";elsestr += "false";return str;
}int main()
{Rustle::string s1;s1 = GetStr(1);return 0;
}

如上面代码所示，str是一个局部变量，出作用域就销毁，只能使用传值返回。下图中，一般情况下str变量传值返回时，会拷贝此变量来创建一个临时变量，如果是自定义类型就会调用拷贝构造函数。s1会调用拷贝构造函数，拷贝临时变量

但是某些编译器进行优化之后，只用进行一次拷贝构造函数，不产生中间的临时变量。

不过VS2022编译器对这个场景优化的十分厉害。下面是运行结果示意图，只调用了一次构造函数。说明编译器已经识别s1要使用GetStr返回值进行构造。相当于str跟s1是同一个变量。

但如果先创建string类，再使用赋值重载函数拷贝函数返回值。

int main()
{Rustle::string s2;s2 = GetStr(0);return 0;
}

运行结果如下，调用了两次构造函数和一个赋值重载函数。mian函数内创建一个string类对象，GetStr函数内创建了一个string类对象。在返回该对象时，本来会产生一个临时对象，调用一个拷贝构造，不过编译器优化掉这一步骤，直接调用赋值重载函数。

4. 右值引用的作用

通过上面的讲述，我们知道左值引用不能解决传值返回的场景，大部分编译器起码至少会调用一次拷贝构造，这样会降低运行效率。右值引用的出现就是为了解决这种场景。

右值分为纯右值和将亡值。其中将亡值指的是那些即将被销毁的对象，函数返回值就是将亡值。右值引用可以引用将亡值，虽然左值引用不能当做返回类型，但是右值引用可以当做返回类型。
既然右值引用左为函数返回类型，string类就要重载一份右值引用版本的拷贝构造函数和赋值重载函数。这类函数分别叫做移动构造函数和移动赋值函数。
如下面代码，移动构造函数的本质是将右值的资源转移，或者叫做“窃取”。这样就不用做深拷贝了，所以叫做移动构造，就是转移别人的资源进行构造。

		// 移动构造string(string&& s):_str(nullptr), _size(0), _capacity(0){cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;swap(s);}// 移动赋值string& operator=(string&& s){cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动构造" << endl;swap(s);return *this;}

增加了移动构造和移动赋值之后，我们测试一下刚才的代码。

Rustle::string GetStr(int flag)
{Rustle::string str;if (flag)str += "true";elsestr += "false";return str;
}int main()
{Rustle::string s2;s2 = GetStr(0);return 0;
}

调用了两次构造函数，还有一次移动构造。

5. 右值引用的深入场景

前面我们提到右值引用无法直接引用左值，但是move函数可以将左值转换成右值，从而达到左值被引用。std::move函数实际上对左值没有转移任何资源，只是将左值强制转化成右值。

如下面的代码，string类对象正常使用同类进行拷贝构造，不会影响被拷贝的对象。但是被拷贝对象被move之后，强制转化成右值，就会调用移动版本的构造，窃取s1的资源，将s1置空。

int main()
{Rustle::string s1("xxxxxx");//调用普通构造函数Rustle::string s2(s1);s1[0];//识别s1为右值，调用移动构造，会转移s1的资源来构造s3//那么s1就被置空了，无法用[]访问Rustle::string s3(move(s1));s1[0]; //errorreturn 0;
}

左值引用和右值引用本质上都是给变量取别名。我们看下面的代码，s1为左值，通过强制转换成右值。匿名对象本身为右值，也可以通过强制转化成左值。

void func(const Rustle::string& s)
{cout << "void func(const Rustle::string& s)" << endl;
}void func(Rustle::string&& s)
{cout << "void func(Rustle::string&& s)" << endl;
}//左值和右值属性可以互相切换，在数据层没有差别
int main()
{//左值Rustle::string s1("1111111");func(s1);//强制转换成右值func((Rustle::string&&)s1);//右值func(Rustle::string("11111111"));//强制转换成左值func((Rustle::string&)Rustle::string("11111111"));return 0;
}

运行结果如下：

下面是用C++简单实现的list容器，只包含插入函数相关的部分，其他接口函数已经省略。并且还提供了右值引用版本的插入函数。如果对list容器不熟悉，可以看这篇文章http://t.csdnimg.cn/WWsBs。

namespace Rustle
{template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& data = T())//匿名对象,调用的是默认构造:_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(data){}};template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:list(){_head = new Node(T());_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}void push_back(const T& x){insert(end(), x);}//移动插入void push_back(T&& x){insert(end(), x);}iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;//prev newnode curprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;return iterator(newnode);}iterator insert(iterator pos, T&& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;//prev newnode curprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;return iterator(newnode);}private:Node* _head;};

我们尝试运行下面的代码。我把代码分为五个部分，每个部分都有对应的解释。

int main()
{//1.创建一个list类变量ltRustle::list<Rustle::string> lt;//2.显示对象插入Rustle::string s1("1111111111111111");lt.push_back(s1);//3.匿名对象lt.push_back(Rustle::string("1111111111111111"));//4.字符串类隐式类型转换为string类lt.push_back("1111111111111111");//5.通过move函数强制转化s1为右值lt.push_back(move(s1));return 0;
}

运行结果如下。第一个string类的构造函数和拷贝构造函数，是创建list容器变量lt调用的。因为list容器有个哨兵位结点，内部不存储有效数据，用来简化list的插入和删除工作。
list的默认构造函数会开辟一个ListNode类的结点，ListNode类的构造函数是全缺省的，如果没传参数，会使用缺省值，缺省值是调用string类的默认构造函数。参数列表中拷贝data创建ListNode的_data变量，会调用拷贝构造函数。

		ListNode(const T& data = T())//匿名对象,调用的是默认构造:_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(data){}list(){_head = new Node(T());_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}

正常来说，序号3之后的代码中push_back参数都是右值，应该调用string类中的移动构造才对，但是全部调用的是拷贝构造，进行深拷贝。这是为什么呢？

尝试运行下面的代码，观察结果。

void TestRightRef(Rustle::string&& str)
{cout << &str << endl;
}int main()
{TestRightRef(Rustle::string("111111111111111"));Rustle::string&& r1 = Rustle::string("1111111111111111");cout << &r1 << endl;//通过测试，发现右值引用本身属性是左值，那为什么会是左值呢？//因为只有右值引用本身的属性是左值，才能传递参数，转移他的资源return 0;
}

观察运行结果，发现右值引用本身可以取地址，说明右值引用本身属性是左值。第一种是传递右值参数，TestRightRef函数用右值引用接受，可以取地址。第二种是直接对右值引用。

这两种方式都会导致右值被引用之后退化成左值。只有右值引用本身的属性是左值的情况下，才可以进行赋值，做函数参数和做函数返回值的操作。

所以说，函数用右值引用接收右值时，右值引用的属性会退化成左值。

当使用push_back函数，插入右值对象时，会调用移动插入函数。在移动插入函数中，右值引用参数x本身属性已经退化成左值。而移动插入函数主要是复用了insert函数完成尾插的操作，虽然重载了右值引用版本的insert函数，但是由于x属性为左值，还是会调用到左值引用版本的insert函数。

这就导致string类调用的是拷贝构造函数。

namespace Rustle
{template<class T>struct ListNode{//...ListNode(const T& data = T())//匿名对象,调用的是默认构造:_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(data){}};template<class T>class list{//...public://移动插入void push_back(T&& x){insert(end(), x);}iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;//...return iterator(newnode);}iterator insert(iterator pos, T&& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;//...return iterator(newnode);}//...};

那我们该怎么解决呢？根据右值被引用之后属性退化成左值的问题，每次函数使用右值引用参数接收右值后，如果需要使用右值引用，就必须使用move函数改变右值引用的属性。

那么list容器的push_back函数中需要加上move函数，insert函数中也要加上move函数，ListNode的构造函数也需要提供一个右值引用版本的。

namespace Rustle
{template<class T>struct ListNode{//...ListNode(const T& data = T())//匿名对象,调用的是默认构造:_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(data){}ListNode(T&& data)//右值版本:_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(move(data)){}};template<class T>class list{//...public://移动插入void push_back(T&& x){insert(end(), move(x));//加上move函数}iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(x);Node* prev = cur->_prev;//...return iterator(newnode);}iterator insert(iterator pos, T&& x){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(move(x));//加上move函数Node* prev = cur->_prev;//...return iterator(newnode);}//...};

运行结果如下：

6. 完美转发

前面提到右值引用的属性是左值，所以一旦要使用右值引用，需要使用move函数强制转换属性。如list的push_back函数，一层一层传递右值，每一层都要重载左值引用和右值引用两个版本的函数，十分麻烦。有什么办法可以解决呢？那就要介绍C++11引入的新特性——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，将参数连同其类型信息一起不变地传递给其他函数。这意味着，无论是左值引用还是右值引用，都能保持其原有的引用类型，在传递过程中不会意外地变成左值引用。

使用完美转发时，尖括号里面是放变量类型，圆括号是放变量。

    std::forward<T>(x)

下面的代码就是使用完美转发的效果对比。其中模版中的&&不代表右值引用，而是万能引用，其既能接收左值又能接收右值。模版函数可以接收左值和右值，不过第一个模版函数没有使用完美转发，第二个函数使用了完美转发。

void Fun(int& x)  { cout << "左值引用" << endl; }
void Fun(const int& x) { cout << "const 左值引用" << endl; }
void Fun(int&& x) { cout << "右值引用" << endl; }
void Fun(const int&& x) { cout << "const 右值引用" << endl; }template<typename T>
void NonPerfectForward(T&& t)
{Fun(t);
}template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)
{//模版实例化是左值引用，保持属性直接传参给Fun//模版实例化是右值引用，右值引用属性会退化成左值，转换成右值属性在传参给FunFun(forward<T>(t));
}void Test1()
{int a;    const int b = 8;NonPerfectForward(a);			   // 左值NonPerfectForward(std::move(a));  // 右值NonPerfectForward(b);             // const 左值NonPerfectForward(std::move(b));  // const 右值cout << endl;PerfectForward(a);			   // 左值PerfectForward(std::move(a));  // 右值PerfectForward(b);             // const 左值PerfectForward(std::move(b));  // const 右值
}int main()
{Test1();return 0;
}

运行结果如下，第一个模版函数接收右值后，右值引用属性退化成左值，调用的还是左值引用类型的函数。第二个函数使用了完美转发，如果模版实例化是左值引用，保持属性直接传参给Fun，如果实例化后是右值引用，会转换成右值属性在传参给Fun。