C++11重大新增特性：左值引用 右值引用 移动构造 移动赋值

C++11重大新增特性：左值引用 & 右值引用 & 移动构造 & 移动赋值

  • 一、右值引用和左值引用概念和区别
    • 1.1 左值 & 左值引用
    • 1.2 右值 & 右值引用
  • 二、左值引用和右值引用对比
    • 2.1 左值引用
    • 2.1 右值引用
  • 三、右值和右值引用诞生的意义
  • 四、移动构造 & 移动赋值
    • 4.1 移动构造函数
    • 4.2 移动赋值函数
  • 五、完美转发（引用在模板中的用途）
    • 5.1 模板中的万能引用（折叠引用）&&
    • 5.2 完美转发(std::forward)在传参的过程中保留对象原生类型属性
  • 六、新的类功能
    • 6.1 C++11新增默认成员函数
    • 6.2 类成员变量初始化
    • 6.3 强制生成默认函数的关键字default
    • 6.4 禁止生成默认函数的关键字delete

一、右值引用和左值引用概念和区别

 C++11为了支持移动操作（移动构造和移动赋值），新标准引入了新的引用类型 —— 右值引用。我们将C++11之前的引用都成为左值引用。但无论是左值引用还是右值引用，本质上都是给对象取别名！

1.1 左值 & 左值引用

 左值是一个表达式（如变量、解引用后的指针），表示的是一个对象的身份。我们可以对左值进行赋值操作、取地址。左值可以出现在等号的两边。

 评判一个表达式是否为左值的最根本标志就是：是否可以取地址。所以对于一个const修饰的变量，由于该变量可以取地址，所以也是一个典型的左值。左值引用即是左值的别名。

int main()
{//a、b、p、*p都是左值int* p = new int(0);int a = 10;const int b = 12;//rp、ra、rb、rval都是左值引用int*& rp = p;int& ra = a;const int& rb = b;int& rval = *p;return 0;
}

1.2 右值 & 右值引用

 右值也是一个表达式，和左值不同的是：右值只能出现在等号的右边（即不能被赋值），不能取地址（最根本原因），通常是字面常量、表达式返回值，函数返回值。右值引用就是对右值的引用，通过&&来获取右值引用。

 右值不能取地址。但对右值取别名后，会导致右值被存储到特定的区域，并且可以取到该区域的指针。比如：字面常量10是一个右值，不能取地址。如果10被ra引用后，我们可以对ra取地址，并且可以通过修改ra进而修改右值。如果不想该右值被修改，我们可以通过const进行修饰！！

int Add(const int x, const int y)
{return x + y;
}int main()
{//10、10 + 20、Add函数返回值都是右值，无法取地址//ra、rb、rc都是右值引用int&& ra = 10;int&& rb = 10 + 20;int&& rc = Add(1, 2);ra = 20;return 0;
}
  • 需要注意的是：上述ra、rb、rc虽然是右值引用，但ra、rb、rc本身还是一个变量，并且可以取地址，是一个左值！！

二、左值引用和右值引用对比

2.1 左值引用

  1. 普通的左值引用只能引用左值，不能引用右值。
  2. const修饰的左值引用，不仅可以引用左值，还可以引用右值！！

【示例】：

int main()
{int a = 10;int& ra = a;//int& rb = 10;//error,普通左值引用不能引用右值const int& rc = a;const int& rd = 10;return 0;
}

2.1 右值引用

  1. 右值引用可以引用右值，但不能引用左值。
  2. 我们可以通过move函数，让右值引用引用左值！！move函数调用告诉编译器：我们有一个左值，但我们希望像一个右值一样处理它。需要注意的是，move函数的返回值是一个右值，但move函数本身不会修改左值属性！

【示例】：

int main()
{int a = 10;const int&& rb = 10;//int&& ra = 1;//error, 右值引用无法引用左值//error，move本身不会修改左值属性//move(a);//int&& ra = a;int&& ra = move(a);//move后的返回值是一个右值return 0;
}

三、右值和右值引用诞生的意义

 在C++11标志之前，如果在vector、list等容器保存的是一块空间的指针。此时如果调用拷贝构造函数和拷贝赋值函数，编译器会进行一个深拷贝构造出新对象，将就对象释放。
 在很多情况下拷贝对象时无法避免的。

但如果返回的是一个临时对象会发生什么呢？

【示例】：
在这里插入图片描述

  • 我们发现如果用一个临时对象拷贝构造一个变量s时，编译器会先拷贝构造出一个临时对象，在用该临时对象出拷贝构造变量s。
  • 但该过程中存在一个问题：临时对象深拷贝创建后仅仅使用一次便立即销毁、原对象ret是一个临时对象马上就要出作用域销毁，此时依旧对ret进行拷贝构造。
  • 上述情况在实际过程中会在大量场景中频繁出现，并且意义不大。这也意味着大量的无意义的深拷贝产生，将导致性能的下降。我们是否可以不进行拷贝，直接将原始数据转移到新对象中呢？(该操作的前提是原始数据马上就要被销毁)
  • 为了解决上述情况，C++11引入了移动构造函数和移动拷贝函数。移动构造函数和移动拷贝函数可以将一个待销毁的变量数据（该变量通常被编译器识别为右值）直接转移到新对象。而右值和右值引则是为实现这些函数运营而生的！！

四、移动构造 & 移动赋值

 在C++中，右值分为两种：内置定义类型右值为纯右值；自定义类型右值为将亡值！！对于纯右值，移动构造函数、移动赋值函数没有太大价值，行为和拷贝构造函数、移动构造函数类型。（上述临时对象ret虽然可以取地址是一个左值，但编译器会特殊处理将其识别为右值，即将亡值）
 只有当自定义类型中存在资源的深拷贝时，此时才能移动构造和移动赋值的价值。（直接转移资源，而非深拷贝！！）

4.1 移动构造函数

 类似于拷贝构造函数，移动构造函数的第一个参数是该类类型的引用，不同的是引用参数是一个右值。移动构造函数的本质是直接将右值对象的资源窃取过来，占为己有，此时不在进行深拷贝。所以该构造称为移动构造，用别人的资源来构造自己。

【示例：移动构造和拷贝构造函数实现和对比】：

namespace mystring
{class string{public:string(const char* str = "")//默认构造函数:_size(strlen(str)), _capacity(_size){cout << "string(const char* str = "") ----- 构造函数" << endl;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}//拷贝构造函数string(const string& s){cout << "string(const string& s) ---- 拷贝构造函数 深拷贝" << endl;string tmp(s._str);swap(tmp);}//移动构造函数string(string&& s){cout << "string(string&& s) ---- 移动构造函数  移动语义" << endl;swap(s);}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}private:char* _str = nullptr;size_t _size = 0;size_t _capacity = 0;};
};int main()
{mystring::string s("123456");cout << endl;mystring::string s1 = s;cout << endl;mystring::string s2(move(s1));return 0;
}

【运行结果】：
在这里插入图片描述

  • 在上述过程中，我们发现移动构造过程中没有深拷贝。原因在于移动构造直接将原资源抢占，交换过来！！

4.2 移动赋值函数

 移动赋值函数和移动拷贝函数一样，直接将将亡值的资源交换抢占过来。

【示例： 移动赋值函数和拷贝赋值函数实现和对比】：

namespace mystring
{class string{public:string(const char* str = "")//默认构造函数:_size(strlen(str)), _capacity(_size){//cout << "string(const char* str = "") ----- 构造函数" << endl;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}//拷贝赋值函数string& operator=(const string& s){string tmp(s);swap(tmp);cout << "string& operator=(const string& s) ---- 拷贝赋值函数 深拷贝" << endl;return *this;}//移动赋值函数string& operator=(string&& s){swap(s);cout << "string& operator=(string&& s) ---- 移动语义" << endl;return s;}//拷贝构造函数string(const string& s){string tmp(s._str);swap(tmp);cout << "string(const string& s) ---- 拷贝构造函数 深拷贝" << endl;}//移动构造函数string(string&& s){swap(s);cout << "string(string&& s) ---- 移动构造函数  移动语义" << endl;}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}private:char* _str = nullptr;size_t _size = 0;size_t _capacity = 0;};
};int main()
{mystring::string s("123456");cout << endl;mystring::string s1, s2;s1 = s;cout << endl;s2 = move(s);cout << endl;return 0;
}

【运行结果】：

在这里插入图片描述

五、完美转发（引用在模板中的用途）

5.1 模板中的万能引用（折叠引用）&&

 模板中的&&不是右值引用，表示的时万能引用，即可以接收左值也可接受右值。但万能引用只是提供了能够同时接受左值引用和右值引用的能力。
 引用类型的唯一作用就是限制接收的类型，后续使用中会退化成左值。（这很好理解，以移动构造和移动赋值为例，其最重要的功能就是转移右值的资源。但显然右值是无法被修改的。所以当一个右值传递给移动构造和移动赋值后，后续使用会退化成左值）

【示例】：

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<class T>
void PerfectForward(T&& t)
{Fun(t);
}int main()
{int a = 11;PerfectForward(a);//左值PerfectForward(10);//右值const int b = 10;PerfectForward(b);//const左值PerfectForward(move(b));//const 右值return 0;

【运行结果】：
在这里插入图片描述

  • 函数模板中的&&称为万能引用或折叠引用，上述代码成功运行，从侧面说明万能引用既可以接收右值还可以接收左值。同时最终结果均为左值相关，进一步说明万能引用接收右值后会退化成左值！

5.2 完美转发(std::forward)在传参的过程中保留对象原生类型属性

 万能引用在接受相关引用后会退化成一个左值。这个机制也是移动构造和移动赋值的基础。
 同时在C++中提出了完美转发的概念，完美转发可以保留对象在传参过程中的原生类型属性。

【示例】：

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<class T>
void PerfectForward(T&& t)
{Fun(forward<T>(t));//完美转发，保留t的原生属性
}int main()
{int a = 11;PerfectForward(a);//左值PerfectForward(10);//右值const int b = 10;PerfectForward(b);//const左值PerfectForward(move(b));//const 右值return 0;
}

【运行结果】：
在这里插入图片描述

【完美转发实际场景中的作用】：

namespace mystring
{class string{public:string(const char* str = "")//默认构造函数:_size(strlen(str)), _capacity(_size){cout << "string(const char* str = "") ----- 构造函数" << endl;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}//拷贝构造函数string(const string& s){string tmp(s._str);swap(tmp);cout << "string(const string& s) ---- 拷贝构造函数 深拷贝" << endl;}//移动构造函数string(string&& s){swap(s);cout << "string(string&& s) ---- 移动构造函数  移动语义" << endl;}//拷贝赋值函数string& operator=(const string& s){string tmp(s);swap(tmp);cout << "string& operator=(const string& s) ---- 拷贝赋值函数 深拷贝" << endl;return *this;}//移动赋值函数string& operator=(string&& s){swap(s);cout << "string& operator=(string&& s) ---- 移动语义" << endl;return s;}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}private:char* _str = nullptr;size_t _size = 0;size_t _capacity = 0;};
};template<class T>
struct ListNode
{ListNode* _next = nullptr;ListNode* _prev = nullptr;T _data;
};template<class T>
class List
{typedef ListNode<T> Node;
public:List(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}void PushBack(T&& x){//Insert(_head, x);Insert(_head, std::forward<T>(x));}void PushFront(T&& x){//Insert(_head->_next, x);Insert(_head->_next, std::forward<T>(x));}void Insert(Node* pos, T&& x){Node* prev = pos->_prev;Node* newnode = new Node;newnode->_data = std::forward<T>(x); // 关键位置// prev newnode posprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = pos;pos->_prev = newnode;}void Insert(Node* pos, const T& x){Node* prev = pos->_prev;Node* newnode = new Node;newnode->_data = x; // 关键位置// prev newnode posprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = pos;pos->_prev = newnode;}
private:Node* _head = nullptr;
};int main()
{List<mystring::string> lt;cout << endl;lt.PushBack("11111111");return 0;
}

【运行结果】：

  • 调试时，lt.PushBack("11111111");走的是void Insert(Node* pos, T&& x)版本的插入，而非void Insert(Node* pos, const T& x)

在这里插入图片描述

六、新的类功能

6.1 C++11新增默认成员函数

 原来C++类中，有6个默认成员函数：(后两个作用、意义不大)

  1. 构造函数
  2. 析构函数
  3. 拷贝构造函数
  4. 拷贝赋值重载
  5. 取地址重载
  6. const 取地址重载

 在C++11中又新增两个默认成员函数：移动构造函数和移动赋值运算符重载。
 但比较特殊的是，对于移动构造函数和移动赋值运算符重载来说，只有当拷贝构造函数、拷贝赋值重载、析构函数都没显示的写时，编译器才会生成一个默认的移动构造函数和移动赋值运算符重载。
 对于默认生成的移动构造函数来说，内置类型成员按值拷贝；对于自定义类型成员，则需要看该自定义成员是否实现了移动构造。如果实现了，调用该自定义类型成员的移动构造；否则调用拷贝构造！！
 对于默认生成的移动赋值运算符重载，同上。

6.2 类成员变量初始化

 在C++11中，允许类成员变量在声明时给默认缺省值。当调用类的构造函数时，如果没有显示的传递初始值，编译器会用成员变量声明时的默认缺省值去初始化成员变量！

class string{public://调用该函数时，编译器会应声明是的缺省值去初始化成员变量//即：_str = nullptr、_size = 0、 _capacity = 0string()//默认构造函数{ }private:char* _str = nullptr;size_t _size = 0;size_t _capacity = 0;};

6.3 强制生成默认函数的关键字default

 C++11可以让你更好的控制要使用的默认函数。假设你要使用某个默认的函数，但是因为一些原因这个函数没有默认生成。比如：我们提供了拷贝构造，就不会生成移动构造了，那么我们可以使用default关键字显示指定移动构造生成。

【示例】：

class Person
{
public:Person(const char* name = "", int age = 0):_name(name), _age(age){}Person(const Person& p):_name(p._name), _age(p._age){}Person(Person&& p) = default;
private:mystring::string _name;int _age;
};
int main()
{Person s1;cout << endl;Person s2 = s1;cout << endl;Person s3 = std::move(s1);cout << endl;return 0;
}

【成员函数_name的相关实现如下】：

namespace mystring
{class string{public:string(const char* str = "")//默认构造函数:_size(strlen(str)), _capacity(_size){cout << "string(const char* str = "") ----- 构造函数" << endl;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}//拷贝构造函数string(const string& s){string tmp(s._str);swap(tmp);cout << "string(const string& s) ---- 拷贝构造函数 深拷贝" << endl;}//移动构造函数string(string&& s){swap(s);cout << "string(string&& s) ---- 移动构造函数  移动语义" << endl;}//拷贝赋值函数string& operator=(const string& s){string tmp(s);swap(tmp);cout << "string& operator=(const string& s) ---- 拷贝赋值函数 深拷贝" << endl;return *this;}//移动赋值函数string& operator=(string&& s){swap(s);cout << "string& operator=(string&& s) ---- 移动语义" << endl;return s;}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}private:char* _str = nullptr;size_t _size = 0;size_t _capacity = 0;};
};

【允许结果】：
在这里插入图片描述

  • 由于在Person类中，我们已经显示的实现了拷贝构造函数，因此无法编译器无法生成默认的移动构造函数。但我们通过default关键字让编译器强制生成默认的移动构造函数。对于默认生成的移动构造函数，内置类型int _age按值拷贝；对于自定义类型mystring::string _name;调用自身的移动构造函数。
  • 如果成员变量存在如const、引用的类型时，即使default强制让编译器实现，也是错误的，无法生成。

6.4 禁止生成默认函数的关键字delete

 如果能想要限制某些默认函数的生成，在C++98中，是该函数设置成private，并且只声明补丁已，这样只要其他人想要调用就会报错。（C++11之前，如果我们希望阻止拷贝的类，我们一般将相关函数声明为私有。但对于有元和成员函数来说，依旧可以访问它。所以为了阻止友元函数和成员函数进行拷贝，通常将拷贝控制成员声明为私有，但不定义）

 在C++11中更简单，只需在该函数声明加上=delete即可，该语法指示编译器不生成对应函数的默认版本，称=delete修饰的函数为删除函数。

class Person
{
public:Person(const char* name = "", int age = 0):_name(name), _age(age){}Person(const Person& p) = delete;
private:mystring::string _name;int _age;
};

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