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深入解读C++中的右值引用

作者：wudaijun

这里来带大家深入解读C++中的右值引用,右值引用是C++新标准中的重要特性,包括C++11中的引用折叠,首先还是先来看一下右值引用的概念:

右值引用（及其支持的Move语意和完美转发）是C++0x将要加入的最重大语言特性之一，这点从该特性的提案在C++ - State of the Evolution列表上高居榜首也可以看得出来。
从实践角度讲，它能够完美解决C++中长久以来为人所诟病的临时对象效率问题。从语言本身讲，它健全了C++中的引用类型在左值右值方面的缺陷。从库设计者的角度讲，它给库设计者又带来了一把利器。从库使用者的角度讲，不动一兵一卒便可以获得“免费的”效率提升…
在标准C++语言中，临时量（术语为右值，因其出现在赋值表达式的右边）可以被传给函数，但只能被接受为const &类型。这样函数便无法区分传给const &的是真实的右值还是常规变量。而且，由于类型为const &，函数也无法改变所传对象的值。C++0x将增加一种名为右值引用的新的引用类型，记作typename &&。这种类型可以被接受为非const值，从而允许改变其值。这种改变将允许某些对象创建转移语义。比如，一个std::vector，就其内部实现而言，是一个C式数组的封装。如果需要创建vector临时量或者从函数中返回vector，那就只能通过创建一个新的vector并拷贝所有存于右值中的数据来存储数据。之后这个临时的vector则会被销毁，同时删除其包含的数据。有了右值引用，一个参数为指向某个vector的右值引用的std::vector的转移构造器就能够简单地将该右值中C式数组的指针复制到新的vector，然后将该右值清空。这里没有数组拷贝，并且销毁被清空的右值也不会销毁保存数据的内存。返回vector的函数现在只需要返回一个std::vector<>&&。如果vector没有转移构造器，那么结果会像以前一样：用std::vector<> &参数调用它的拷贝构造器。如果vector确实具有转移构造器，那么转移构造器就会被调用，从而避免大量的内存分配。

一. 定义
通常意义上，在C++中，可取地址，有名字的即为左值。不可取地址，没有名字的为右值。右值主要包括字面量，函数返回的临时变量值，表达式临时值等。右值引用即为对右值进行引用的类型，在C++98中的引用称为左值引用。
如有以下类和函数:

class A
{
private:
 int* _p;
};

A ReturnValue()
{
 return A();
}
ReturnValue()的返回值即为右值，它是一个不具名的临时变量。在C++98中，只有常量左值引用才能引用这个值。
A& a = ReturnValue(); // error: non-const lvalue reference to type 'A' cannot bind to a temporary of type 'A'
   
const A& a2 = ReturnValue(); // ok
通过常量左值引用，可以延长ReturnValue()返回值的生命周期，但是不能修改它。C++11的右值引用出场了：
A&& a3 = ReturnValue();
右值引用通过”&&”来声明， a3引用了ReturnValue()的返回值，延长了它的生命周期，并且可以对该临时值进行修改。

二. 移动语义
右值引用可以引用并修改右值，但是通常情况下，修改一个临时值是没有意义的。然而在对临时值进行拷贝时，我们可以通过右值引用来将临时值内部的资源移为己用，从而避免了资源的拷贝：

#include<iostream>

class A
{
public:
 A(int a)
 :_p(new int(a))
 {
 }

 // 移动构造函数 移动语义
 A(A&& rhs)
 : _p(rhs._p)
 {
 // 将临时值资源置空 避免多次释放 现在资源的归属权已经转移
 rhs._p = nullptr; 
 std::cout<<"Move Constructor"<<std::endl;
 }
 // 拷贝构造函数 复制语义
 A(const A& rhs)
 : _p(new int(*rhs._p))
 {
 std::cout<<"Copy Constructor"<<std::endl;
 }
 
private:
 int* _p;
};

A ReturnValue() { return A(5); }

int main()
{
 A a = ReturnValue();
 return 0;
}

运行该代码，发现Move Constructor被调用(在g++中会对返回值进行优化，不会有任何输出。可以通过-fno-elide-constructors关闭这个选项)。在用右值构造对象时，编译器会调用A(A&& rhs)形式的移动构造函数，在移动构造函数中，你可以实现自己的移动语义，这里将临时对象中_p指向内存直接移为己用，避免了资源拷贝。当资源非常大或构造非常耗时时，效率提升将非常明显。如果A没有定义移动构造函数，那么像在C++98中那样，将调用拷贝构造函数，执行拷贝语义。移动不成，还可以拷贝。
std::move：
C++11提供一个函数std::move()来将一个左值强制转化为右值：

A a1(5);
A a2 = std::move(a1);
上面的代码在构造a2时将会调用移动构造函数，并且a1的_p会被置空，因为资源已经被移动了。而a1的生命周期和作用域并没有变，仍然要等到main函数结束后再析构，因此之后对a1的_p的访问将导致运行错误。
std::move乍一看没什么用。它主要用在两个地方：

考虑如下代码：

class B
{
public:
 B(B&& rhs)
 : _pb(rhs._pb)
 {
 // how can i move rhs._a to this->_a ?
 rhs._pb = nullptr;
 }

private:
 A _a;
 int * pb;
}
对于B的移动构造函数来说，由于rhs是右值，即将被释放，因此我们不只希望将_pb的资源移动过来，还希望利用A类的移动构造函数，将A的资源也执行移动语义。然而问题出在如果我们直接在初始化列表中使用：_a(rhs._a) 将调用A的拷贝构造函数。因为参数 rhs._a 此时是一个具名值，并且可以取址。实际上，B的移动构造函数的参数rhs也是一个左值，因为它也具名，并且可取址。这是在C++11右值引用中让人很迷惑的一点：可以接受右值的右值引用本身却是个左值
这一点在后面的完美转发还会提到。现在我们可以用std::move来将rhs._a转换为右值：_a(std::move(rhs._a))，这样将调用A的移动构造。实现移动语义。当然这里我们确信rhs._a之后不会在使用，因为rhs即将被释放。

三. 完美转发
如果仅仅为了实现移动语义，右值引用是没有必要被提出来的，因为我们在调用函数时，可以通过传引用的方式来避免临时值的生成，尽管代码不是那么直观，但效率比使用右值引用只高不低。
右值引用的另一个作用是完美转发，完美转发出现在泛型编程中，将模板函数参数传递给该函数调用的下一个模板函数。如：

template<typename T>
void Forward(T t)
{
 Do(t);
}
上面的代码中，我们希望Forward函数将传入参数类型原封不动地传递给Do函数，即Forward函数接收的左值，则Do接收到左值，Forward接收到右值，Do也将得到右值。上面的代码能够正确转发参数，但是是不完美的，因为Forward接收参数时执行了一次拷贝。
考虑到避免拷贝，我们可以传递引用，形如Forward(T& t)，但是这种形式的Forward并不能接收右值作为参数，如Forward(5)。因为非常量左值不能绑定到右值。考虑常量左值引用：Forward(const T& t)，这种形式的Forward能够接收任何类型(常量左值引用是万能引用)，但是由于加上了常量修饰符，因此无法正确转发非常量左值引用：
void Do(int& i)
{
 // do something...
}

template<typename T>
void Forward(const T& t)
{
 Do(t);
}

int main()
{
 int a = 8;
 Forward(a); // error. 'void Do(int&)' : cannot convert argument 1 from 'const int' to 'int&'
 return 0;
}

基于这种情况， 我们可以对Forward的参数进行const重载，即可正确传递左值引用。但是当Do函数参数为右值引用时，Forward(5)仍然不能正确传递，因为Forward中的参数都是左值引用。
下面介绍在 C++11 中的解决方案。
PS：引用折叠
C++11引入了引用折叠规则，结合右值引用来解决完美转发问题：

typedef const int T;
typedef T& TR;
TR& v = 1; // 在C++11中 v的实际类型为 const int&
如上代码中，发生了引用折叠，将TR展开，得到 T& & v = 1(注意这里不是右值引用)。 这里的 T& + & 被折叠为 T&。更为详细的，根据TR的类型定义，以及v的声明，发生的折叠规则如下：
T& + &  = T&
T& + && = T&
T&& + &  = T&
T&& + && = T&&
上面的规则被简化为：只要出现左值引用，规则总是优先折叠为左值引用。仅当出现两个右值引用才会折叠为右值引用。
再谈转发
那么上面的引用折叠规则，对完美转发有什么用呢？我们注意到，对于T&&类型，它和左值引用折叠为左值引用，和右值引用折叠为右值引用。基于这种特性，我们可以用 T&& 作为我们的转发函数模板参数：
template<typename T>
void Forward(T&& t)
{
 Do(static_cast<T&&>(t));
}
这样，无论Forward接收到的是左值，右值，常量，非常量，t都能保持为其正确类型。
当传入左值引用 X& 时：
void Forward(X& && t)
{
 Do(static_cast<X& &&>(t));
}
折叠后：
void Forward(X& t)
{
 Do(static_cast<X&>(t));
}
这里的static_cast看起来似乎是没有必要，而它实际上是为右值引用准备的：
void Forward(X&& && t)
{
 Do(static_cast<X&& &&>(t));
}
折叠后：
void Forward(X&& t)
{
 Do(static_cast<X&&>(t));
}
前面提到过，可以接收右值的右值引用本身却是个左值，因为它具名并且可以取值。因此在Forward(X&& t)中，参数t已经是一个左值了，此时我们需要将其转换为它本身传入的类型，即为右值。由于static_cast中引用折叠的存在，我们总能还原参数本来的类型。
在C++11中，static_cast<T&&>(t) 可以通过 std::forward<T>(t) 来替代，std::forward是C++11用于实现完美转发的一个函数，它和std::move一样，都通过static_cast来实现。我们的Forward函数最终变成了：
template<typename T>
void Forward(T&& t)
{
 Do(std::forward<T>(t));
}
可以通过如下代码来测试：
#include<iostream>
using namespace std;

void Do(int& i)    { cout << "左值引用"  << endl; }
void Do(int&& i)   { cout << "右值引用"  << endl; }
void Do(const int& i) { cout << "常量左值引用" << endl; }
void Do(const int&& i) { cout << "常量右值引用" << endl; }

template<typename T>
void PerfectForward(T&& t){ Do(forward<T>(t)); }

int main()
{
 int a;
 const int b;
 
 PerfectForward(a);  // 左值引用
 PerfectForward(move(a)); // 右值引用
 PerfectForward(b);  // 常量左值引用
 PerfectForward(move(b)); // 常量右值引用
 return 0;
}

四. 附注
左值和左值引用，右值和右值引用都是同一个东西，引用不是一个新的类型，仅仅是一个别名。这一点对于理解模板推导很重要。对于以下两个函数

template<typename T>
void Fun(T t)
{
 // do something...
}

template<typename T>
void Fun(T& t)
{
 // do otherthing...
}

Fun(T t)和Fun(T& t)他们都能接受左值(引用)，它们的区别在于对参数作不同的语义，前者执行拷贝语义，后者只是取个新的别名。因此调用Fun(a)编译器会报错，因为它不知道你要对a执行何种语义。另外，对于Fun(T t)来说，由于它执行拷贝语义，因此它还能接受右值。因此调用Fun(5)不会报错，因为左值引用无法引用到右值，因此只有Fun(T t)能执行拷贝。
最后，附上VS中 std::move 和 std::forward 的源码:

// move
template<class _Ty> 
inline typename remove_reference<_Ty>::type&& move(_Ty&& _Arg) _NOEXCEPT
{ 
 return ((typename remove_reference<_Ty>::type&&)_Arg);
}

// forward
template<class _Ty> 
inline _Ty&& forward(typename remove_reference<_Ty>::type& _Arg)
{ // forward an lvalue
 return (static_cast<_Ty&&>(_Arg));
}

template<class _Ty> 
inline _Ty&& forward(typename remove_reference<_Ty>::type&& _Arg) _NOEXCEPT
{ // forward anything
 static_assert(!is_lvalue_reference<_Ty>::value, "bad forward call");
 return (static_cast<_Ty&&>(_Arg));
}
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