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C++ 右值语义 C++ 右值语义相关总结

后端技术小屋 人气:0
想了解C++ 右值语义相关总结的相关内容吗,后端技术小屋在本文为您仔细讲解C++ 右值语义的相关知识和一些Code实例,欢迎阅读和指正,我们先划重点:c++,右值语义,c++,右值,下面大家一起来学习吧。

在现代C++的众多特性中,右值语义(std::move和std::forward)大概是最神奇也最难懂的特性之一了。本文简要介绍了现代C++中右值语义特性的原理和使用。

1 什么是左值,什么是右值?

int a = 0;  // a是左值,0是右值
int b = rand(); // b是左值,rand()是右值

直观理解:左值在等号左边,右值在等号右边

深入理解:左值有名称,可根据左值获取其内存地址,而右值没有名称,不能根据右值获取地址。

2 引用叠加规则

左值引用A&和右值引用A&&可相互叠加, 叠加规则如下:

A& + A& = A&
A& + A&& = A&
A&& + A& = A&
A&& + A&& = A&&

举例说明,在模板函数void foo(T&& x)中:

如果T是int&类型, T&&为int&,x为左值语义
如果T是int&&类型, T&&为int&&, x为右值语义
也就是说,不管输入参数x为左值还是右值,都能传入函数foo。区别在于两种情况下,编译器推导出模板参数T的类型不一样。

3 std::move

3.1 What?

在C++11中引入了std::move函数,用于实现移动语义。它用于将临时变量(也有可能是左值)的内容直接移动给被赋值的左值对象。

3.2 Why?

知道了std::move是干什么的,他能给我们的搬砖工作带来哪些好处呢? 举例说明:

如果类X包含一个指向某资源的指针,在左值语义下,类X的复制构造函数定义如下:

X::X() 
{
 // 申请资源(指针表示)
}

X::X(const X& other)
{
 // ...
 // 销毁资源 
 // 克隆other中的资源
 // ...
}

X::~X() 
{
 // 销毁资源
}

假设应用代码如下。其中,对象tmp被赋给a之后,便不再使用。

X tmp;
// ...经过一系列初始化...
X a = tmp;

在上面的代码中,执行步骤:

从资源的视角来看,上述代码中共执行了2次资源申请和3次资源释放。

那么问题来了,既然对象tmp只是一个临时对象,在执行X a = tmp;时,对象a能否将tmp的资源'偷'过来,直接为我所用,而不影响原来的功能? 答案是可以。

X::X(const X& other)
{
 // 使用std::swap交换this和other的资源  
}

通过'偷'对象tmp的资源,减少了资源申请和释放的开销。而std::swap交换指针代价极小,可忽略不计。

3.3 How?

到现在为止,我们明白了std::move将要达到的效果,那么它究竟是怎么实现的呢?

template<class T> 
typename remove_reference<T>::type&&
std::move(T&& a) noexcept
{
 typedef typename remove_reference<T>::type&& RvalRef;
 return static_cast<RvalRef>(a);
}

不管输入参数为左值还是右值,都被remove_reference去掉其引用属性,RvalRef为右值类型,最终返回类型为右值引用。

3.4 Example

在实际使用中,一般将临时变量作为std::move的输入参数,并将返回值传入接受右值类型的函数中,方便其'偷取'临时变量中的资源。需要注意的是,临时变量被'偷'了之后,便不能对其进行读写,否则会产生未定义行为。

#include <utility>    
#include <iostream>   
#include <string>    
#include <vector>    
        
void foo(const std::string& n) 
{        
 std::cout << "lvalue" << std::endl;
}        
        
void foo(std::string&& n)  
{        
 std::cout << "rvalue" << std::endl;
}        
        
void bar()      
{        
 foo("hello");    // rvalue
 std::string a = "world";  
 foo(a);      // lvalue
 foo(std::move(a));   // rvalue
}

int main()
{
 std::vector<std::string> a = {"hello", "world"};
 std::vector<std::string> b;

 b.push_back("hello");   // 开销:string复制构造
 b.push_back(std::move(a[1])); // 开销:string移动构造(将临时变量a[1]中的指针偷过来)

 std::cout << "bsize: " << b.size() << std::endl;
 for (std::string& x: b)
 std::cout << x << std::endl;
 bar();
 return 0;
}

4 std::forward

4.1 What?

std::forward用于实现完美转发。那么什么是完美转发呢?完美转发实现了参数在传递过程中保持其值属性的功能,即若是左值,则传递之后仍然是左值,若是右值,则传递之后仍然是右值。

简单来说,std::move用于将左值或右值对象强转成右值语义,而std::forward用于保持左值对象的左值语义和右值对象的右值语义。

4.2 Why?

#include <utility>
#include <iostream>

void bar(const int& x)
{
 std::cout << "lvalue" << std::endl;
}

void bar(int&& x)
{
 std::cout << "rvalue" << std::endl;
}

template <typename T>
void foo(T&& x)
{
 bar(x);
}

int main()
{
 int x = 10; 
 foo(x); // 输出:lvalue
 foo(10); // 输出:lvalue
 return 0;
}

执行以上代码会发现,foo(x)和foo(10)都会输出lvalue。foo(x)输出lvalue可以理解,因为x是左值嘛,但是10是右值,为啥foo(10)也输出lvalue呢?

这是因为10只是作为函数foo的右值参数,但是在foo内部,10被带入了形参x,而x是一个有名字的变量,即右值,因此foo中bar(x)还是输出lvalue。

那么问题来了,如果我们想在foo函数内部保持x的右值语义,该怎么做呢?std::forward便派上了用场。

只需改写foo函数:

template <typename T>
void foo(T&& x)
{
 bar(std::forward<T>(x));
}

4.3 How?

std::forward听起来有点神奇,那么它到底是如何实现的呢?

template<typename T, typename Arg> 
shared_ptr<T> factory(Arg&& arg)
{ 
 return shared_ptr<T>(new T(std::forward<Arg>(arg)));
}
template<class S>
S&& forward(typename remove_reference<S>::type& a) noexcept
{
 return static_cast<S&&>(a);
}

X x;
factory<A>(x);

如果factory的输入参数是一个左值,那么Arg = X&,根据叠加规则,std::forward<Arg> = X&。因此,在这种情况下,std::forward<Arg>(arg)仍然是左值。

相反,如果factory输入参数是一个右值,那么Arg = X,std::forward<Arg> = X。这种情况下,std::forward<Arg>(arg)是一个右值。

恰好达到了保留左值or右值语义的效果!

4.4 Example

直接上代码。如果前面都懂了,相信这段代码的输出结果也能猜个八九不离十了。

#include <utility>
#include <iostream>

void overloaded(const int& x)
{
 std::cout << "[lvalue]" << std::endl;
}

void overloaded(int&& x)
{
 std::cout << "[rvalue]" << std::endl;
}

template <class T> void fn(T&& x)
{
 overloaded(x);
 overloaded(std::forward<T>(x));
}

int main()
{
 int i = 10; 
 overloaded(std::forward<int>(i));
 overloaded(std::forward<int&>(i));
 overloaded(std::forward<int&&>(i));
 
 fn(i);
 fn(std::move(i));

 return 0;
}

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