十、C++11左值右值、左值引用、右值引用、万能引用、完美转发

2023-11-08

10 C++11左值右值、左值引用、右值引用

10.1 左值&右值

左值：可以在=左边使用的值

右值：只能在=右边使用的值(字面量、中间结果、临时对象/匿名对象)，无法直接取地址，不能使用左值引用。

10.2 左值引用&右值引用

实例：左值引用、右值引用

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
void Print(int n){
    cout << n << endl;
}
void Print2(int& n){
    cout << n << endl;
}
void Print3(const int& n){
    cout << n << endl;
}
void Print4(int&& n){ //右值引用
    cout << n << endl;
}
int main(){
    //右值:只能在=右边使用的值(字面量\中间结果\临时对象或匿名对象),无法取地址，不能左值引用
    //左值:可以在=左边使用的值
    int n = 10;
    int m = n;
    //10 = n; //字面量不能左值引用
    //n+2 = m; //中间结果不能左值引用
    const char* s = "123abc";
    //"abcd" = s;
    string str = s;
    //string(s) = str; 临时对象不能左值引用
    
    Print(m);
    Print(10);

    Print2(m); //int& n = m;
    //Print2(10); //int& n = 10; 常量不能被引用
    //int& f = 10; //右值不能初始化左值引用

    Print3(m); //const int& n = m;
    Print3(10); //const int& n = 10; 补丁：const左值引用可以初始化左值和右值

    //Print4(m); int&& n = m; 左值不能初始化右值引用
    Print4(10);
}

[root@localhost 9]# ./a.out 
10
10
10
10
10
10

结论：
1、左值引用只能用左值初始化
2、右值引用只能用右值初始化
3、const左值引用可以初始化左值和右值

10.3 移动构造函数&移动赋值运算符重载

10.3.1 不可复制对象的移动

实例：

#include <iostream>
using namespace std;
class Uncopy{
public:
    Uncopy(){cout << "constructor" << endl;}
    ~Uncopy(){cout << "destructor" << endl;}
    Uncopy(const Uncopy&) = delete; //禁用赋值
    Uncopy& operator=(const Uncopy&) = delete; //禁用拷贝构造
    Uncopy(Uncopy&&){cout << "rvalue copy constructor" << endl;}
    Uncopy& operator=(Uncopy&&){cout << "rvalue assign" << endl; return *this;}
};
void Param(Uncopy w){}

Uncopy Return(){
    Uncopy u;
    return u;
}
// 移动的条件：只有右值可以移动
// 左值变右值：move()
int main(){
    Uncopy u;
    //Uncopy v = u; //拷贝构造
    Uncopy w = Uncopy();
    Uncopy v;
    v = move(u); //赋值运算符重载
    v = Uncopy(); //移动运算符重载

    //Param(Uncopy()); //Uncopy w = Uncopy();
    Param(move(u)); //Uncopy w = u; 
    Return();
}

constructor
constructor
rvalue copy constructor
destructor
constructor
rvalue assign
constructor
rvalue assign
destructor
rvalue copy constructor
destructor
constructor
rvalue copy constructor
destructor
destructor
destructor
destructor
destructor

不可复制对象，可以使用移动语法做拷贝构造和赋值。

移动的条件：
1、只有右值才能移动，如果左值要移动需要转换成右值(move())。
2、对象的类要实现移动构造函数和移动赋值运算符重载。

10.3.2 可复制对象的移动

实例：

#include <vector>
using namespace std;
//可复制对象使用移动
class Simple{
public:
    Simple(){cout << "constructor" << endl;}
    Simple(const Simple&){cout << "copy constructor" << endl;}
    Simple& operator=(const Simple&){cout << "assign constructor" << endl; return *this;}
    Simple (Simple&&){cout << "move constructor" << endl;}
    Simple& operator=(Simple&&){cout << "move override" << endl; return *this;}
    ~Simple(){cout << "destructor" << endl;}
    //加const只能放左值，不加const既能放左值，也能放右值
};
int main(){
    string s = "abc";
    //string t = s;
    string t = move(s);
    cout << (void*)s.c_str() << ":" << s << endl; //s执行move之后内容为空
    cout << (void*)t.c_str() << ":" << t << endl;

    vector<int> vec = {1,2,3};
    vector<int> vec2;
    vec2 = move(vec);
    cout << vec.size() << " " << vec2.size() << endl; //vec被move之后内容为空，大小为0

    //移动条件下，如果类内未定义移动函数，使用拷贝函数，定义了则使用移动函数
    Simple s1;
    Simple s2 = move(s1); //移动构造
    s2 = move(s1); //移动重载
    
    //STL中的移动
    vector<Simple> vs;
    //vs.push_back(s1); //拷贝构造
    vs.emplace_back(move(s1)); //移动构造
}

0x7fff2bf29880:
0x7fff2bf29860:abc
0 3
constructor
move constructor
move override
move constructor
destructor
destructor
destructor

移动的条件：
1、只有右值才能移动，如果左值要移动需要转换成右值(move())。
2、对象的类实现了移动构造函数和移动赋值运算符重载。否则，执行拷贝操作。

10.3.3 STL中的移动

实例：

#include <iostream>
#include <vector>
 
using namespace std;
// 可复制对象使用移动
class Simple{
public:
    Simple(){cout<< "constructor" << endl;}
    Simple(const Simple&){cout<< "copy constructor" << endl;}
    Simple& operator=(const Simple&){cout<< "assign override" << endl; return *this;}
    Simple(Simple&&){cout<< "move constructor" << endl;}
    Simple& operator=(Simple&&){cout<< "move override" << endl; return *this;}
};
int main(){
    string s = "abcd";
    // string t = s;
    string t = move(s);
    cout << (void*)s.c_str() << " " << s << endl;
    cout << (void*)t.c_str() << " " << t << endl;
 
    vector<int> vec1 = {1,2,3,4,5};
    vector<int> vec2;
    vec2 = move(vec1);
    cout << vec1.size() << "," << vec2.size() << endl;
 
    vector<Simple> vs;
    Simple simple;
    //vs.push_back(simple); // 拷贝构造
    //vs.push_back(simple); // 拷贝构造
    //vs.push_back(simple); // 拷贝构造
    //vs.push_back(simple); // 拷贝构造
    vs.emplace_back(move(simple)); // 移动构造
    vs.emplace_back(move(simple)); // 移动构造
    vs.emplace_back(move(simple)); // 移动构造
}

0x7ffc13aebf70 
0x7ffc13aebf50 abcd
0,5
constructor
move constructor
move constructor
copy constructor
move constructor
copy constructor
copy constructor

C++11 string和容器都实现移动构造函数和移动赋值运算符重载。
C++11 STL容器提供了移动操作的成员函数emplace_*()。

结果分析：
这里vs 在move第一个simple对象时候申请1个空间并放入vs[0]。move第二个simple时候，先申请2个空间，move第二个simple 放入vs[1]，再把第一个simple拷贝到vs[0]的位置。同理，move第三个simple时候，申请4个空间，move第三个simple 到vs[2]，然后拷贝前两个simple分别放入vs[0]和vs[1]中。

注：vector每次申请1、2、4、8…个空间

10.4 万能引用&完美转发

实例：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
//可复制对象使用移动
class Simple{
public:
    Simple(){cout << "constructor" << endl;}
    Simple(const Simple&){cout << "copy constructor" << endl;}
    Simple& operator=(const Simple&){cout << "assign override" << endl; return *this;}
    Simple (Simple&&){cout << "move constructor" << endl;}
    Simple& operator=(Simple&&){cout << "move override" << endl; return *this;}
    
    //左值调用左值Test
    void Test()&{ //void Test(Simple*& this)
    	cout << "lvalue Test" << endl;
    }
    //右值调用右值Test
    void Test()&&{ //void Test(Simple*&& this)
    	cout << "rvalue Test" << endl;
    }
};
void Func(Simple& s){cout << "lvalue" << endl;}
void Func(Simple&& s){cout << "rvalue" << endl;}

template<typename T>
//模板参数&&:万能引用/通用引用,根据传入参数左右值类型不同，调用不同参数类型的函数
void TemplateFunc(T&& param){
    //Func(param);
    //完美转发
    Func(forward<T>(param));
    forward<T>(param).Test();
}
int main(){
    Simple s;
    Func(s); //左值
    Func(move(s)); //右值
    
    s.Test(); //调用左值Test
    Simple().Test(); //调用右值Test

    TemplateFunc(s); //传入左值 T&& => T& void TemplateFunc (Simple& param)
    TemplateFunc(Simple()); //传入右值 T&& ==> T&& void TemplateFunc(Simple&& param)
}

[root@localhost 9]# ./a.out 
constructor
lvalue
rvalue
lvalue Test
constructor
rvalue Test
lvalue
lvalue Test
constructor
rvalue
rvalue Test

1、函数参数中的&&表示右值引用，函数模板参数中的&&表示万能引用。通用引用/万能引用，根据参数左右值类型的不同，生成不同参数类型的函数。
2、完美转发 forward<T>()根据万能引用参数的不同(左值引用还是右值引用)，恢复参数的状态（左值引用保持左值，右值引用转成右值），实现函数调用的转发(传入左值，调用左值引用的函数；传入右值，调用右值引用的函数)。

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