當前位置：首頁 > 编程语言 > c/c++ >内容正文

c/c++

C++ 右值引用 | 左值、右值、move、移动语义、引用限定符

發布時間：2023/12/13 c/c++ 59 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 C++ 右值引用 | 左值、右值、move、移动语义、引用限定符小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

文章目錄

C++11為什么引入右值？
區分左值引用、右值引用
move
移動語義
- 移動構造函數
- 移動賦值運算符
- 合成的移動操作
- 小結
引用限定符
- 規定this是左值or右值
- 引用限定符與重載

C++11為什么引入右值？

C++11引入了一個擴展內存的方法——移動而非拷貝，移動較之拷貝有兩個優點：

效率更高： 在此之前，當數據結構申請的內存用盡時，一般是申請一塊更大的內存，然后將舊內存中存儲的元素拷貝到新內存中。但很多情況下，為了方便拷貝操作而建立的臨時對象在拷貝完成后就被銷毀了，因此不如直接將舊內存中的元素移動到新內存中，即省空間（臨時對象也是要占內存的），還省時間（不用建立臨時對象了）。

IO、unique_ptr 這樣的類都包含不可被共享的資源（如指針或IO緩沖），因此，這些類不支持拷貝，僅支持移動。

PS：STL 和 shared_ptr 既支持移動也支持拷貝。

而為了支持移動操作，就誕生了一種新的引用類型——右值引用（rvalue reference）。

為了與左值引用進行劃分，使用 & 時則代表是左值引用，而使用 && 則代表右值引用。

右值引用有一個重要的特性——只能綁定到一個將要銷毀的對象。

區分左值引用、右值引用

左值

生成左值： 返回引用的函數、賦值、取下標、解引用、前置遞增/遞減運算符。

我們可以將一個 左值引用 綁定到這類表達式的結果上。

右值

生成右值： 返回非引用類型的函數、算術、關系、位、后置遞增/遞減運算符。

我們可以將一個 const的左值引用 或者一個 右值引用 綁定到這類表達式上。

舉一些例子：

int i = 42; int &r = i; // 正確：左值引用綁定變量 int &&rr = i; // 錯誤：不能將右值引用綁定到左值上 int &r2 = i * 42; // 錯誤：i*42是右值，不能將左值引用綁定到右值上 const int &r3 = i * 42; // 正確：可以將const左值引用綁定到右值上 int &&rr2 = i * 42; // 正確：右值引用可以綁定到算術結果上

詳細來講：

普通類型的變量，因為有名字，可以取地址，都認為是左值。

const修飾的常量，不可修改，只讀類型的，理論應該按照右值對待，但因為其可以取地址，C++11認為其是左值。(const類型常量初始化時，編譯器不給其開辟空間，當對該常量取地址時，編譯器才為其開辟空間。)

如果表達式的運行結果是一個臨時變量或者對象，認為是右值。

如果表達式運行結果或單個變量是一個引用，認為是左值。

總的來講，即為：左值持久、右值短暫，左值有持久的狀態，而右值要么是字面常量、要么是在表達式求值過程中創建的臨時對象。

由于右值引用只能綁定到臨時對象，我們得知：

所引用的對象將要被銷毀
該對象沒有其他用戶

這兩個特性意味著：可以自由地接管右值引用綁定的資源，而不必擔心發生錯誤。

有趣的是，右值引用本身是一個變量，因此它是一個左值，也就是說，不能將右值引用綁定到一個右值引用類型的變量上：

int &&rr1 = 42; // 正確：字面常量是右值 int &&rr2 = rr1; // 錯誤：表達式rr1是左值

move

按照語法來說，右值引用應該只能引用右值，但我們可以通過move函數顯式地將一個左值轉換為對應的右值引用類型：

#include<utility> //move的頭文件 int &&rr1 = 42; // 右值引用 int &&rr2 = std::move(rr1); // rr1是左值，綁定到右值引rr2上

調用move就意味著：可以銷毀一個移后源對象（rr1），也可以賦予它新值，但不能使用一個移后源對象（rr1）的值。

與大多數標準庫名字的使用不同，對 move 我們不提供 using聲明。換言之，我們直接調用 std::move 而不是 move。因為 STL 還有另一個 move，那個的作用就是將一個范圍中的元素搬移到另一個位置。

移動語義

移動構造函數

類似拷貝構造函數，移動構造函數的第一個參數是該類類型的引用，任何額外的參數都必須有默認實參。
不同于拷貝構造函數的是，這個引用參數在移動構造函數中是一個右值引用。

除了完成資源移動，移動構造函數還必須確保移后源對象是可銷毀的。 一旦資源完成移動，源對象必須不再指向被移動的資源——這些資源的所有權已經歸屬新創建的對象。

作為一個例子，我們為 IntVec類定義移動構造函數，實現從一個 IntVec 到另一個 IntVec 的元素移動而非拷貝：

class IntVec // IntVec是對標準庫vector類的模仿，僅存儲int元素 {int *begin; // 指向已分配的內存中的首元素int *end; // 指向最后一個實際元素之后的位置int *cap; // 指向分配的內存末尾之后的位置 public:IntVec(IntVec &&a) noexcept // noexcept通知標準庫不拋出任何異常: begin(a.begin), end(a.end), cap(a.cap) // 成員初始化器接管a中的資源{a.begin = a.end = a.cap =nullptr;// 令a進入可銷毀狀態，確保對其運行析構函數是安全的。} };

工作流程：

移動構造函數不分配任何新內存，而是接管給定的 IntVec 中的內存。

接管之后，將給定對象中的指針都置為 nullptr 。

函數體執行完畢自動調用析構函數銷毀移后源對象。

在第三點中，如果我們沒有進行第二點，此時移后源對象仍指向被接管的內存，此時調用析構函數會釋放掉剛剛移動的內存，因此三步一步都不能少。

關于 noexcept ：

由于移動操作不分配任何資源，因此不會拋出異常，我們可以通知標準庫，這樣他就不會因為需要等待處理異常而浪費資源。
noexcept 是通知標準庫的方式之一，出現在參數列表和初始化列表開始的冒號之間。

為什么移動操作不會拋出異常？

首先明確一定，是允許移動操作拋出異常的，但是這么做反而有壞處。

以 vector 的 push_back 操作來講，當執行尾插操作但是內存空間已經滿了，需要重新分配內存空間，此時：

如果重新分配過程使用了移動構造函數，且在移動了部分元素后拋出了一個異常，就會產生問題——舊空間中的移動源元素已經被改變了，而新空間中移動源元素尚未構造好。在此情況下，vector 將丟失自身的部分元素。
如果 vector 使用了拷貝構造函數，當在新內存中構造元素時，舊內存中的元素保持不變。如果此時發生了異常，vector 可以釋放新分配的（但還未成功構造的）內存并返回。vector 原有的元素仍然存在。

因此，對于移動操作來講，不拋出異常反而能保證數據的完整性。

移動賦值運算符

和移動構造函數一樣——不拋出異常，但仍要注意處理所有賦值運算符逃不過的劫難——自賦值問題。

IntVec& IntVec::operator=(IntVec &&rhs) noexcept{if(this != &rhs){ // 處理非自賦值free(); // 釋放已有資源begin = rhs.begin; // 從 rhs 接管資源end = rhs.end;cap = rhs.cap;// 將 rhs 置于可析構狀態rhs.begin = rhs.end = rhs.cap = nullptr;}return *this; }

這種寫法其實是最常用也最簡單的自賦值處理方法，像之前講的用臨時量存右側運算對象、swap實現自賦值。巧妙則巧妙，但是寫起來一定要很小心，遠不如直接 if-else 來的方便。

合成的移動操作

如果我們不聲明自己的拷貝構造函數或拷貝賦值運算符，編譯器總會為我們合成這些操作。但與拷貝操作不同，如果一個類定義了自己的拷貝構造函數、拷貝賦值運算符或者析構函數，編譯器就不會為它合成移動構造函數和移動賦值運算符了。如果一個類沒有移動操作，通過正常的函數匹配，類會使用對應的拷貝操作來代替移動操作。

只有當一個類沒有定義任何自己版本的拷貝控制成員，且類的每個非static數據成員都可以移動時，編譯器才會為它合成移動操作。

編譯器可以移動內置類型的成員。如果一個成員是類類型，且該類有對應的移動操作，編譯器也能移動這個成員：

小結

在移動操作之后，移后源對象必須保持有效的、可析構的狀態。

移后源對象仍然保持有效

我們可以對它執行諸如 empty 或 size 這些操作。但是，我們不知道將會得到什么結果。我們可能猜測一個移后源對象是空的，但結果并不一定如我們猜測的那樣。換言之，我們可以重新用它，但是我們不知道用之前它是什么狀態。

同時存在拷貝控制操作和移動操作時的匹配規則

拷貝構造函數接受一個 const 類型名& 的左值引用類型；
移動構造函數接受一個類型名&& 右值引用類型。

因此，左值只能匹配拷貝構造函數，但是右值卻都可以匹配，只是調用拷貝操作時需要進行一次到 const 的轉換，而移動操作是精確匹配，因此，右值會使用移動操作。

swap實現一個賦值運算符既是拷貝操作也是移動操作

移動賦值運算符接受一個類型名&& 右值引用類型；
拷貝賦值運算符接受一個 const 類型名& 的左值引用類型。

因此，我們可以在已經定義好移動構造函數的基礎上，借助 swap函數實現一個形參為類型名的賦值運算符：

class IntVec { public:IntVec(IntVec &&a) noexcept: begin(a.begin), end(a.end), cap(a.cap){a.begin = a.end = a.cap =nullptr;}IntVec& operator=(IntVec a){swap(*this, a);return *this;} };

具體思想我們在上一篇博客的swap實現自賦值中講過一次，這里簡單再提一下。

首先 swap函數是類自己重載的，而不是標準庫中的 swap函數，目的是避免浪費內存。
一定要確保類已經定義好了移動構造函數，否則，像我們之前說過的那樣，在有拷貝操作的情況下，類不會合成移動操作，則該賦值運算符只實現了拷貝操作而沒有實現移動操作。
該賦值運算符最終實現的操作由傳入的實參類型決定：左值拷貝、右值移動。

舉個例子：

// 假定 v1、v2 都是 IntVec 對象 v1 = v2; // v2是左值，拷貝構造函數來拷貝v2 v1 = std::move(v2); // 移動構造函數移動v2

匹配詳情就不多說了，在上文的匹配規則中講的很詳細了，這里主要想體現的是：不管使用的是拷貝構造函數還是移動構造函數，賦值運算符都可以將他們的結果作為實參來執行。換言之，配合上 swap函數的 賦值運算符 同時支持 移動操作 和 拷貝操作 。

為什么拷貝操作的形參通常是 const X& 而不是 X&？移動操作的形參通常是 X&& 而不是 const X&&？

當我們希望使用 將亡值 時，通常傳遞一個右值引用。為了在移動后釋放源對象持有的資源，實參不能是 const 的。
從一個對象進行拷貝的操作不應該改變該對象。因此，通常不需要定義一個接受一個（普通的）X& 參數的版本。

引用限定符

規定this是左值or右值

有時會看到這樣的代碼：

string s1 = "hello", s2 = "world"; s1 + s2 = "!";

此處我們對兩個 string 的連接結果——一個右值，進行了賦值。

在舊標準中，我們沒有辦法阻止這種使用方式。為了維持向后兼容性，新標準庫類仍然允許向右值賦值。但是，我們有時需要阻止這種用法。在此情況下，我們希望強制左側運算對象（即，this指向的對象）是一個左值。

我們指出 this 的左值/右值屬性的方式與定義 const 成員函數相同，即，在參數列表后放置一個引用限定符（reference qualifier）：

class IntVec { public:IntVec& operator=(IntVec a) & // 只能向可修改的左值賦值{swap(*this, a);return *this;} };

引用限定符可以是 & 或 &&，分別指出 this 可以指向一個左值或右值。類似 const 限定符，引用限定符只能用于（非static）成員函數，且必須同時出現在函數的聲明和定義中。

一個函數可以同時用 const 和 引用限定。在此情況下，引用限定符必須跟隨在const限定符之后：

class IntVec { public:IntVec& operator=(IntVec a) const &； };

引用限定符與重載

就像一個成員函數可以根據是否有 const 來區分其重載版本一樣，引用限定符也可以區分重載版本。