[C++]现代C++语言核心特性解析 Chapter 6

右值引用（C++11 C++17 C++20）

1 左值和右值

在C++中

• 左值一般是指一个指向特定内存的具有名称的值（具名对象），它有一个相对稳定的内存地址，并且有一段较长的生命周期。
• 右值则是不指向稳定内存地址的匿名值（不具名对象），它的生命周期很短，通常是暂时性的。

基于这一特征，可以用取地址符&来判断左值和右值，能取到内存地址的值为左值，否则为右值。

除字符串字面量以外的字面量，通常都是右值。编译器会将字符串字面量存储到程序的数据段中，程序加载的时候也会为其开辟内存空间，所以我们可以使用取地址符&来获取字符串字面量的内存地址。

2 左值引用

左值引用在传参的时候经常使用，可以免去创建一个临时对象的操作。

非常量左值引用的引用对象必须是一个左值

常量左值引用的引用对象可以引用右值。这个特性很有用，在作为参数的时候，可以接受一个右值，但是这会导致参数的常量性，需要右值引用来解决。

3 右值引用

右值引用是一种引用右值且只能引用右值的方法。在语法方面右值引用可以对比左值引用，在左值引用声明中，需要在类型后添加&，而右值引用则是在类型后添加&&

右值引用的特点之一是可以延长右值的生命周期。以此达到减少复制，提升性能的效果。

# include <iostream>

class X {
public:
  X() { std::cout << "X ctor" << std::endl; }
  X(const X&x) { std::cout << "X copy ctor" << std::endl; }
  ~X() { std::cout << "X dtor" << std::endl; }
  void show() { std::cout << "show X" << std::endl; }
};

X make_x()
{
  X x1;
  return x1;
}

int main()
{
  X &&x2 = make_x();
  x2.show();
}

如果执行 X x2 = make_x();，在没有任何优化的情况下，会执行三次构造函数，首先构造x1，然后return的时候执行拷贝构造函数构造一个临时对象，最后赋值的时候调用拷贝构造函数。

如果执行 X &&x2 = make_x();，则只会执行两次构造函数，前两次和上面一样，但是最后由于x2右值引用了临时对象，因此这个临时对象的生命期得以延长。

4 移动语义

c++11标准提供了移动语义，可以将资源在对象中进行转移，即进行浅拷贝的工作。

使用的时候有两点需要注意：

1. 同复制构造函数一样，编译器在一些条件下会生成一份移动构造函数，这些条件包括：没有任何的复制函数，包括复制构造函数和复制赋值函数；没有任何的移动函数，包括移动构造函数和移动赋值函数；也没有析构函数。虽然这些条件严苛得让人有些不太愉快，但是我们也不必对生成的移动构造函数有太多期待，因为编译器生成的移动构造函数和复制构造函数并没有什么区别。
2. 虽然使用移动语义在性能上有很大收益，但是却也有一些风险，这些风险来自异常。试想一下，在一个移动构造函数中，如果当一个对象的资源移动到另一个对象时发生了异常，也就是说对象的一部分发生了转移而另一部分没有，这就会造成源对象和目标对象都不完整的情况发生，这种情况的后果是无法预测的。所以在编写移动语义的函数时建议确保函数不会抛出异常，与此同时，如果无法保证移动构造函数不会抛出异常，可以使用noexcept说明符限制该函数。这样当函数抛出异常的时候，程序不会再继续执行而是调用std::terminate中止执行以免造成其他不良影响。

5 值类别

值类别是C++11标准中新引入的概念，具体来说它是表达式的一种属性，该属性将表达式分为3个类别，它们分别是左值（lvalue）、纯右值（prvalue）和将亡值（xvalue）。

实际上，这里的左值（lvalue）就是上文中描述的C++98的左值，而这里的纯右值（prvalue）则对应上文中描述的C++98的右值。

将亡值（Xvalue，Expiring value）是表示即将“被销毁”的值，通常是资源可以被移动的对象。将亡值允许资源被“移动”，即允许将其内部的资源转移到另一个对象中，而不是拷贝。

特点：

• 可以被移动构造或移动赋值。
• 典型的将亡值包括：返回右值引用的表达式、std::move 转换后的对象。

6 将左值转换为右值

在c++11中，我们可以使用 static_cast<Foo&&>(foo) 将一个左值转换为一个将亡值，然后将右值引用绑定到这个将亡值上。此外，我们可以通过这种方式让左值使用移动语义。需要注意的是，转换前后，对象具有相同的内存地址和生命周期。

void move_pool(BigMemoryPool &&pool)
{
  std::cout << "call move_pool" << std::endl;
  BigMemoryPool my_pool(pool); // 调用拷贝构造函数
  BigMemoryPool my_pool1(static_cast<BigMemoryPool&&>(pool)); // 调用移动构造函数
}

int main()
{
  move_pool(make_pool());
}

在这个代码中，虽然 make_pool 返回的是一个临时对象，且 move_pool 的形参是一个右值引用，但是在构造 my_pool 的时候还是会执行拷贝构造函数。这是因为无论一个函数的实参是左值还是右值，即使形参是一个右值引用，这个形参本身也是一个左值。

c++11的标准库中提供了一个函数模板 std::move 来将左值转换为右值，本质也是用 static_cast 来做的转换，推荐使用 std::move 。

7 万能引用和引用折叠

含有 T&& 和 auto&& 的是万能引用。在这个推导过程中，初始化的源对象如果是一个左值，则目标对象会推导出左值引用；反之如果源对象是一个右值，则会推导出右值引用，不过无论如何都会是一个引用类型。

万能引用能如此灵活地引用对象，实际上是因为在C++11中添加了一套引用叠加推导的规则——引用折叠。

8 完美转发

万能引用最典型的用途被称为完美转发。

#include <iostream>
#include <string>

template<class T>
void show_type(T t)
{
  std::cout << typeid(t).name() << std::endl;
}

template<class T>
void normal_forwarding(T t)
{
  show_type(t);
}

int main()
{
  std::string s = "hello world";
  normal_forwarding(s);
}

在上面这个例子中，当调用 normal_forwarding 的时候，会拷贝一次字符串，然后调用 show_type 的时候，又将拷贝一次字符串。我们可以将 normal_forwarding 的形参声明为引用来减少一次拷贝，但是这会导致函数无法接受右值。这个问题也可以通过常量左值引用来解决，但是这就会导致无法修改字符串。

有了万能引用，就可以解决这个问题。需要注意的是，因为形参t一定是一个左值，为了让转发能够将左右值属性带到目标函数中去（show_type），这里需要进行类型转换，同样用到了引用折叠的概念。

#include <iostream>
#include <string>

template<class T>
void show_type(T t)
{
  std::cout << typeid(t).name() << std::endl;
}

template<class T>
void perfect_forwarding(T &&t)
{
  show_type(static_cast<T&&>(t));
}

std::string get_string()
{
  return "hi world";
}

int main()
{
  std::string s = "hello world";
  perfect_forwarding(s);
  perfect_forwarding(get_string());
}

在c++11标准库中提供了 std::forward 函数模板，其内部也是使用 static_cast 进行的类型转换，但是采用 std::forward 使语义更加清楚。

注意 std::move 和 std::forward 的区别：

• 其中 std::move 一定会将实参转换为一个右值引用，并且使用 std::move 不需要指定模板实参，模板实参是由函数调用推导出来的。
• 而 std::forward 会根据左值和右值的实际情况进行转发，在使用的时候需要指定模板实参。