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您的位置:首页 > 程序设计 >C语言 > 深入解读C++中的右值引用

深入解读C++中的右值引用

作者:wudaijun 字体:[增加 减小] 来源:互联网 时间:2017-05-28

wudaijun 通过本文主要向大家介绍了深入探索c++对象模型,深入理解c++11,深入c++对象模型,c++ 类引用,c++ 引用 指针等相关知识,希望对您有所帮助,也希望大家支持linkedu.com www.linkedu.com

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();
}


</div> 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。</div>
A& a = ReturnValue(); // error: non-const lvalue reference to type 'A' cannot bind to a temporary of type 'A'
   
const A& a2 = ReturnValue(); // ok

</div> </div>
A&& a3 = ReturnValue();

</div> 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。</div>

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;
}

</div> </div>

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);

</div> std::move乍一看没什么用。它主要用在两个地方:</div>
  • 帮助更好地实现移动语义
  • 实现完美转发(下面会提到)

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;
}


</div> 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。</div>

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);
}

</div> 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:</div>
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;
}

</div> </div>

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&

</div> </div>
T& + &  = T&
T& + && = T&
T&& + &  = T&
T&& + && = T&&

</div> 再谈转发
那么上面的引用折叠规
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