【C++】对左值引用右值引用的深入理解（右值引用与移动语义）

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前言：对引用的底层理解

一、左值与右值

提问：左值在左，右值在右？

二、左值引用与右值引用

1.提问：右值引用为左值？

2.不能取地址≠没有地址

3.左右值引用的绑定

4.左右值引用的比较

三、右值引用的意义

1.左值引用的使用场景

作为函数参数

作为函数返回值

2.左值引用的局限

3.右值引用和移动语义

前言：对引用的底层理解

在区分左右值引用之前，我先补充一下对引用的理解。

相较于C语言，C++引入了一种语法：引用，我们需要了解的是，为什么C语言没有引用，而C++有呢？

在C语言中，设计者希望语言保持简单并且支持直接操作内存，因此选择使用指针完成数据的传递，通过指针，C语言可以实现对变量的直接访问和修改；

在C++中，引入了更高级抽象机制，引用作为一种高级抽象比指针更安全、易用，并且在实现参数传递和返回值时不需要&、*操作符，更符合直观语义，便于面向对象编程。

引用被看作一种别名，在上层，是变量的别名，但在底层，其实是地址的别名，为什么这么说呢：

在语言层面，int num = 10；表示创建一个int类型的变量num，并初始化为10：

但是跳出高级语言层面，我们来看底层：num并不是什么变量名称，num对应了一个地址，是一个位于进程地址空间栈区的地址；int也不是什么类型，它表示从该地址往后的4字节的空间被进程使用了，要以4字节为一个整体，修改该地址上的内容；而字面常量10呢，用二进制表示00001010，根据辅助对象的不同进行提升或截断，10要赋值给int对象，先被提升成32bit即4字节，存储时将这些字面值从正文代码区拷贝到num对应的栈区地址上。

所以，引用实际上是地址的别名，是与地址建立的一种映射关系，我们可以通过不同的别名访问同一块地址空间，由于引用并不直接接触地址，这使得程序出错的可能性减少，安全性也提高了。

说完了引用，我们来说一下左值右值：

一、左值与右值

左值与右值统称为值类别，它们都是表示数据的表达式，而左右的区分决定了表达式的使用方式，为什么这么说呢？下面来左值右值的特点就知道了：

左值：可以获取地址，并且可以对其赋值。如变量名、数组指针等

int a = 10;    // a 是左值，&a 有效
a = 15;        // 可以对左值进行赋值
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
arr[2] = 10;   // arr[2] 是左值，可以被赋值class MyClass {
public:int value;
};MyClass obj;
obj.value = 5;    // obj.value 是左值

右值：不可以取地址，也不能对其赋值。如：字面常量、表达式返回值、函数返回值

int x = 5;         // 5 是右值，不能取地址
std::string("temporary"); // 这是一个右值，不能取地址
int y = x + 10;   // x + 10 是右值，不能取地址

提问：左值在左，右值在右？

左值只能出现在 = 左边，右值只能出现在 = 右边吗？

虽然这种说法很符合左右值取名的定义，但是这种说法是不准确的：

int a = 10;
int b = a; // a是左值，但是在=右边
// 10 = a; // 报错，左边必须为左值

赋值符号 = 左边必须是左值（右值不行），并且是可修改的左值（const修饰的左值不行）

二、左值引用与右值引用

传统的C++语法中就有引用的语法，而C++11中新增了右值的引用语法特征，下面这些都是左值引用的情况：

int main(){// 以下的p、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;int& pvalue = *p;return 0;}

那右值引用该怎么用呢，我们怎么对字面常量 10 进行引用呢？左值引用是在类型后面加&，右值引用就是在类型后面加&&：

int main()
{double x = 1.1, y = 2.2;// 以下几个都是常见的右值10;x + y;fmin(x, y);// 以下几个都是对右值的右值引用int&& rr1 = 10;double&& rr2 = x + y;double&& rr3 = fmin(x, y);// 这里编译会报错：error C2106: “=”: 左操作数必须为左值10 = 1;x + y = 1;fmin(x, y) = 1;return 0;
}

1.提问：右值引用为左值？

左值引用是左值吗，右值引用是右值吗？

引用作为表达式的别名，它本身也是一个表达式，所以也有左右值之分，要进行区分，我们对它进行取地址，看看可不可行：

我们发现，ra作为左值引用，rb作为右值引用，它们都可以被取地址并且赋值，说明它们都是左值，这就很奇妙了，左值引用为左值并不奇怪，但是右值引用也是左值，这是为什么呢？

要了解原因，我们就得从左值右值的底层入手：

2.不能取地址≠没有地址

我们知道，字面常量（如 2）作为右值是不能取地址的，也就是&10这种做法是被禁止的，但是右值不能被取地址，就代表它没有地址吗？显然不是：

我们上面提到过，int num = 2; 这段代码被编译后会放到进程空间的正文代码区，那么系统怎么知道你要用2去初始化num呢，因为正文代码区存储了10的二进制序列以及它要放入的地址信息以及把10放入该地址的指令。

回头看这个规则：右值不能被取地址，2有地址吗？当然右，如果没有地址，系统怎么知道初始化的值是2。所以不能取地址不是因为没有地址，而是因为这个地址指向只读数据区，该地址上的数据只有在程序运行后才会被系统读取，由于数据不能被修改，所以编译器禁止取地址操作（取到地址就可以凭借地址对数据进行篡改），于是编译失败。

2的地址是禁止访问的，但是rb作为2的右值引用，却可以进行地址访问，这不应该啊，唯一合理解释就是，右值的引用与右值并不共用一块地址。

3.左右值引用的绑定

左值引用（例如int &ref = a;）确实直接绑定到左值的地址，即原始对象的内存位置。这意味着左值引用和原始对象共享同一个地址：

但是右值引用本身并不是直接对右值地址的引用，而是编译器会分配一个新的存储地址，将右值的值拷贝到该位置。

因此可以作如下区分：

1️⃣左值引用绑定左值的 值+地址

2️⃣右值引用只绑定右值的 值，不绑定地址，额外分配一块地址

4.左右值引用的比较

左值引用：

1.左值引用只能引用左值，不能引用右值。

2.但是const左值既可以引用左值，也可以引用右值

int main()
{// 左值引用只能引用左值，不能引用右值。int a = 10;int& ra1 = a;   // ra为a的别名//int& ra2 = 10;   // 编译失败，因为10是右值// const左值引用既可引用左值，也可引用右值。const int& ra3 = 10;const int& ra4 = a;return 0;
}

右值引用：

1.右值引用只能引用右值，不能引用左值

2.但是右值引用可以引用move以后的左值（move将左值转化成右值）

int main()
{// 右值引用只能右值，不能引用左值。int&& r1 = 10;// error C2440: “初始化”: 无法从“int”转换为“int &&”// message : 无法将左值绑定到右值引用int a = 10;int&& r2 = a;// 右值引用可以引用move以后的左值int&& r3 = std::move(a);return 0;
}

三、右值引用的意义

右值引用到底有什么意义呢，C++11为什么要推出右值引用这个概念呢？

在右值引用出现之前，只存在左值引用，那么就说明，左值引用存在短板，需要右值引用来补齐。

1.左值引用的使用场景

作为函数参数

我们用对象作为参数传递的时候，使用左值引用可以避免对象的拷贝，在传递较大对象或包含复杂数据结构的对象时，可以显著提高效率，下面用一个自定义string类来演示，出现拷贝构造时会打印信息：

		// 拷贝构造string(const string& s):_str(nullptr){cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;string tmp(s._str);swap(tmp);}// 赋值重载string& operator=(const string& s){cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << endl;string tmp(s);swap(tmp);return *this;}

可以看到，使用左值引用避免了一次拷贝构造（深拷贝）

作为函数返回值

左值引用也可以作为函数的返回值，从而可以通过函数调用直接操作该变量，比如访问数组元素、链表节点这戏：

#include <iostream>int& getElement(int arr[], int index) {return arr[index]; // 返回数组元素的引用
}int main() {int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};getElement(arr, 2) = 10; // 修改返回的元素std::cout << arr[2] << std::endl; // 输出：10return 0;
}

但是左值引用作为函数返回值的情况，有一个局限，那就是当函数返回对象是一个局部变量（出了函数作用域就不存在了），就不能使用左值引用返回，只能传值返回。这会有什么影响呢？

2.左值引用的局限

当我们用传值返回的方式返回一个局部对象，例如下面这个函数（将整形转成字符串）

my::string to_string(int value)
{bool flag = true;if (value < 0){flag = false;value = 0 - value;}my::string str; // 局部变量while (value > 0){int x = value % 10;value /= 10;str += ('0' + x);}if (flag == false){str += '-';}std::reverse(str.begin(), str.end());return str;
}int main()
{my::string str = to_string(123);
}

上面这种情况会进行几次拷贝构造？编译器说是一次，但其实是两次，这里是编译器进行优化了：

由于对象作为局部变量在函数结束时就会销毁，所以要想保留对象的内容，就需要一个临时对象来接收（即返回对象ret），此时就会调用一次拷贝构造，将局部变量的内容拷贝到返回对象中，返回对象也只是临时的，它的作用就是在外部需要接收时，再将内容拷贝构造给新的对象，所以总共是发生了两次拷贝构造：

不过现在的编译器会优化成一次拷贝构造，将局部对象直接作为函数临时对象拷贝给接收对象：

无论如何，至少都要进行一次深拷贝，面对较大对象时，会很大程度上影响性能，那么可不可以不多这一次拷贝构造呢，就是将局部对象的内容直接传给外部接收对象，左值引用不能做到的事情，右值引用可以做到。

3.右值引用和移动语义

上述拷贝构造函数的参数都是左值引用，所以我们需要重新定义拷贝构造函数，其参数列表为右值引用。

在左值引用传参的拷贝构造函数中，由于左值引用传递的对象仍然在其他地方使用，所以我们需要定义一个临时对象tmp，开辟一块新的空间，将传入参数的数据安全地拷贝到tmp中，然后通过swap将tmp的内容与this对象进行交换，这种拷贝称为深拷贝。

而在右值引用传参的拷贝构造函数中，由于右值引用传递的对象（例如临时变量）即将销毁，我们可以直接“窃取”其资源，就不用深拷贝了，所以它叫做移动拷贝，将别人的资源转移到自己身上。

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