【C++11 面试】左值/右值引用全解：10+个代码示例带你玩转C++11移动语义

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前言

本篇文档将介绍 C++ 11中比较重要的一部分 - 右值引用和移动语义, 这同时也是我们需要掌握的 !

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一、左右值介绍

在 C++ 11 更新以后引出了右值的概念 , 那这里就得理解一下什么是左值了 .

● 左值

左值其实在 C 语言中就提出了 , 只不过不常提起罢了 .

• 介绍

左值 （lvalue）是C/C++等编程语言中的一个重要概念，通常指可以取地址 、具有持久存储位置的对象或表达式。

● 右值

• 介绍

‌右值 （Right Value，简称rvalue）‌是指那些不具有持久存储位置的临时对象 ，不能取地址 , 通常用于表达式的结果‌ .

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● 重要

总结

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二、左值引用和右值引用(核心内容)

前提 , 看到题目 , 左值引用和右值引用 ? 所以 , 这里的左右值引用的本质还是引用 , 和之前笔者讲的引用是一个东西 , 这里不必慌张 !

● 左值引用

• 符号 : &
• 引用 : 取别名 , 写法 , int & a = b ; , a 是 b 的别名 .
• C++ 98 一直在用的引用就是左值引用 . 以下给出一个代码回顾一下左值引用 .

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● 为什么要有左值引用 ?

C++的引用的发明只能说特别牛逼 ! 笔者从一下方面简单带大家理解一下 , 左值引用的价值所在 .

• 引用 : 起别名 , 虽然底层是指针 ,但理解层面上还是理解为起别名 .

• 讨论

笔者从以下讲起 : 这里给出一个代码

代码1 :

// 为什么要有左值引用 ? 讲解代码
class Date
{
public:


	Date(int year = 2025, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
		cout << "Date 全缺省 --- 构造函数" << endl;
	}


	Date(const Date& d)
		:_year(d._year)
		, _month(d._month)
		, _day(d._day)
	{
		cout << "Date  --- 拷贝构造函数" << endl;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};


//这里不传引用 , 正常走
void Print(const Date d)
{
	// .....
	cout << "Print ....." << endl;
}



int main()
{

	//为什么要有左值引用  ? 
	//这里是拷贝构造 + 构造 , 因为编译器优化原因会直接优化为直接构造
	Date d0 = { 2025,3,18 };
	//仔细观察结果你会发现什么 ? 
	Print(d0);

	return 0;
}

运行结果 :

Date 全缺省 --- 构造函数
Date  --- 拷贝构造函数
Print .....

代码2 :

//  Print 加上引用后 , 结果会大变 ? 
void Print(const Date& d)
{
	// .....
	cout << "Print ....." << endl;
}


运行结果 :

Date 全缺省 --- 构造函数
Print .....

看出了什么 ? 嗯 ? 发现加了引用后竟然少了一次拷贝构造 . 我举的例子呢 , 还不具备足够的说明性 , 这里可以试想一下 , 如果我传的参数是个自定义类型 , 并且这个类型内容指向的资源很大呢 ? 如果成员资源指向了一个1000个大小的数组呢 ? 况且还是自定义类型的深拷贝 , 那就要一个字节的拷贝 , 仔细想想 , 传个参数还进行拷贝 , 这样的效率是不是也太低下了 .那么 , 如果这种情况下 ,用了引用那是不是效率高了很多呢 , 所以这就是引用最吸引人的地方所在了 .

• 引用目的

C++ 中规定 , 传值传参要走拷贝构造 , 那么走了引用就是为了减少拷贝 , 提高效率 !

• 左值引用场景

C++ 中传值传参 , 传值返回要调用拷贝构造的 , 所以一般用于这两个场景 .并且传值返回引用还可以达到修改的功能 , 岂不是很好 .

传值返回调用拷贝构造

所以 , 这里更能体现出了引用的价值 , 当传引用返回时不会调用拷贝构造 !

讲到这里 , 可以看到引用的发明可谓是真的对实践有帮助 , 可大大提高效率 . 那么既然左值引用这么好 , 这么强 , 为什么还要发明右值引用呢 ?

• 左值引用的缺陷

虽然左值引用可以减少拷贝 , 提高效率 , 但仍存在一定的缺陷 .

如以下场景 

class Solution {
public:
	// 这里的传值返回拷⻉代价就太⼤了
	vector<vector<int>> generate(int numRows) {
		//这里的 vv 是个局部对象
		vector<vector<int>> vv(numRows);
		for (int i = 0; i < numRows; ++i)
		{
			vv[i].resize(i + 1, 1);
		}
		for (int i = 2; i < numRows; ++i)
		{
			for (int j = 1; j < i; ++j)
			{
				vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];
			}
		}
		return vv;
	}
}

对以上这个场景 , 进行详细分析 .

a. 首先这里 , 是一个 vector - vector , 是一个二维数组 , 这里直接进行传值返回 , 显然效率是低下的 .

b. 那传左值引用返回 ? 仔细观察可以发现 , 返回的对象是个局部对象呀 , 要是返回了会发生什么 ? 局部对象出了这个函数的作用域就销毁了 , 那还返回其引用 , 就成了野引用了 (野指针) .

故 : 针对局部对象的场景 , 左值引用就会变成野引用(空引用) , 这就是左值引用的缺陷 .

那右值引用可以了吗 ? ............. 其实左值引用也可以弥补缺陷 .

• 左值引用的缺陷的弥补

针对上面的问题 , 在 C++ 11 没有提出之前 , 难道就没有解决办法了吗 ? 兄弟 , 有的 , 有的 !

针对上面问题 , 左值引用不能返回的 , C++ 98 解决办法 : 用输出型参数

class Solution {
public:
	// 这里的传值返回拷⻉代价就太大了 , 用传统方法解决 , 直接传参解决
	void generate(int numRows , vector<vector<int>>& vv) {
		for (int i = 0; i < numRows; ++i)
		{
			vv[i].resize(i + 1, 1);
		}
		for (int i = 2; i < numRows; ++i)
		{
			for (int j = 1; j < i; ++j)
			{
				vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];
			}
		}
	}
};

这样也是可以解决问题的 , 但这样写我们在主函数中传参还有在传一个 vector , 一定程度上牺牲了可读性 . , 于是 C++ 11 出来了 .......

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● 右值引用

C++ 11 提出了右值引用 , 解决了很大问题 .

• 符号 : &&
• 还是引用 , 起别名 .
• 写法 : int&& a = b ; a 是 b 的别名 .

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● 左右值引用交叉问题

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● 右值引用的本质属性(重要)

• ⼀个右值被右值引用绑定后，右值引用变量变量表达式的属性是左值 .

简单来讲 : 右值引用的本质属性是左值 . (常考哦 ~)

第一次了解的伙伴一定会楞一下 , 为什么 ? 为什么这样设计 ? 有用吗 ? 其实是为了移动语义做了铺垫 ...

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三、引用场景和移动语义(重要 ! 重要 ! 重要 !)

● 左值引用场景

左值引用场景 , 笔者在前面的左值部分已经介绍 , 总之 : 就是为了减少拷贝 , 提高效率 .

那么在之前笔者的例子中 , vv 是局部对象 , 用左值引用会出现野引用 , 那有的人会想了 , 那用右值引用 ? 仔细想想 , 不论是左值还是右值的引用 ,它们的本质还是指针啊 , 所以单纯的右值引用肯定解决不了问题 .....

那 ? 怎么解决 ? 所以提出了移动语义的概念 . 这可谓是神一样的存在啊 !

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● 初见移动语义

• 介绍

‌移动语义‌ 是C++11引入的一项重要特性，它允许对象的资源（如堆上分配的内存）在不进行深度复制的情况下进行转移。通过移动语义，可以将对象的资源从一个对象转移到另一个对象，从而避免不必要的内存拷贝，提高程序性能和效率‌ .

• 理解

简单来讲不就是 ' 掠夺资源 ' 嘛 , 不走深拷贝 , 还能拿到想要的资源 . 很香 ~

• 符号

参数引用用 ------ 右值引用 ---- &&

• 分类

1. 移动构造

2. 移动赋值

• 移动构造

移动构造还是构造函数 , 类似拷贝构造函数, 只不过构造函数内部实现方式不同 .

a . 函数名与类名相同 .
b . 无返回值 .
c . 函数第一个参数必须是该类类型的右值引用 , 可以有其余参数必须有缺省值 .

• 移动赋值

移动赋值是一个运算符重载 , 与赋值重载类似 .

a . operator= 
b . 函数第一个参数必须是该类类型的右值引用 , 可以有其余参数必须有缺省值 .

• 代码展示

#include <iostream>
using namespace std;

class my_class
{
public:

	
	my_class(const string str = "")
		:_str(str)
	{
		cout << " 构造函数 " << endl;
	}


	//拷贝构造 , 左值会走拷贝构造
	my_class(my_class& mcl)
	{
		
		cout << " & -- 拷贝构造函数 " << endl;
	}

	void swap(my_class& mcl)
	{
		std::swap(_str, mcl._str);
	}

	
	//移动构造 , 右值会走移动构造
	my_class(my_class&& mcl)
	{
		cout << " && - 移动构造函数 " << endl;
		swap(mcl);
	}

private:
	string _str = "0";
};

int main()
{
	cout << "左值 :" << endl;
	//构造左值 
	my_class str("1111"); // 这里调用构造函数
	//拷贝左值
	my_class str1(str); // str 拷贝给 str1

	cout << "-----------" << endl;

	cout << "右值 :" << endl;
	//构造右值 + 拷贝右值
	my_class str2(my_class("2222")); // 构造 + 移动构造

	return 0;
}

因为编译器会对此进行相应的优化 , 这里的运行是在 Linux 关闭优化环境下执行的 :

• 重要区分

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● 右值引用和传值返回场景理解

这里给出一个整体示例代码 , 一一讲解 :

namespace GJG
{
	class string
	{
	public:
		typedef char* iterator;
		typedef const char* const_iterator;

		iterator begin()
		{
			return _str;
		}

		iterator end()
		{
			return _str + _size;
		}

		const_iterator begin() const
		{
			return _str;
		}

		const_iterator end() const
		{
			return _str + _size;
		}

		string(const char* str = "")
			:_size(strlen(str))
			, _capacity(_size)
		{
			cout << "string(char* str)-构造" << endl;
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}

		// 拷贝构造
		string(const string& s)
			:_str(nullptr)
		{
			cout << "string(const string& s) -- 拷贝构造" << endl;
			reserve(s._capacity);
			for (auto ch : s)
			{
				push_back(ch);
			}
		}

		void swap(string& ss)
		{
			::swap(_str, ss._str);
			::swap(_size, ss._size);
			::swap(_capacity, ss._capacity);
		}

		// 移动构造
		string(string&& s)
		{
			cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;
			// 转移掠夺你的资源
			swap(s);
		}

		string& operator=(const string& s)
		{
			cout << "string& operator=(const string& s) -- 拷贝赋值" <<
				endl;
			if (this != &s)
			{
				_str[0] = '\0';
				_size = 0;
				reserve(s._capacity);
				for (auto ch : s)
				{
					push_back(ch);
				}
			}
			return *this;
		}

		// 移动赋值
		string& operator=(string&& s)
		{
			cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;
			swap(s);
			return *this;
		}

		~string()
		{
			//cout << "~string() -- 析构" << endl;
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
		}

		char& operator[](size_t pos)
		{
			return _str[pos];
		}

		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n + 1];
				if (_str)
				{
					strcpy(tmp, _str);
					delete[] _str;
				}
				_str = tmp;
				_capacity = n;
			}
		}

		void push_back(char ch)
		{
			if (_size >= _capacity)
			{
				size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity *
					2;
				reserve(newcapacity);
			}
			_str[_size] = ch;
			++_size;
			_str[_size] = '\0';
		}

		string& operator+=(char ch)
		{
			push_back(ch);
			return *this;
		}

		const char* c_str() const
		{
			return _str;
		}

		size_t size() const
		{
			return _size;
		}
	private:
		char* _str = nullptr;
		size_t _size = 0;
		size_t _capacity = 0;
	};
}


namespace GJG
{
	string addStrings(string num1, string num2)
	{
		string str;
		int end1 = num1.size() - 1, end2 = num2.size() - 1;
		int next = 0;
		while (end1 >= 0 || end2 >= 0)
		{
			int val1 = end1 >= 0 ? num1[end1--] - '0' : 0;
			int val2 = end2 >= 0 ? num2[end2--] - '0' : 0;
			int ret = val1 + val2 + next;
			next = ret / 10;
			ret = ret % 10;
			str += ('0' + ret);
		}
		if (next == 1)
			str += '1';
		reverse(str.begin(), str.end());
		cout << "******************************" << endl;
		return str;
	}
}

int main()
{

	GJG::string ret = GJG::addStrings("11111", "22222");
	return 0;
}

● 以上代码进行拆解

• 只有拷贝构造 , 没有移动构造时

观察允许结果的变化 :

因为编译器在其中做了优化 , 所以不能直接看到真正结果 , 这里笔者建议到 Linux 中关闭优化 , 可查看 ~

GJG::string str = GJG::addStrings("11111", "22222");

Linux 关闭优化 :

正常 VS2022 Debug 下运行 :

VS2022 优化还是比较狠的 .

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• 右值对象构造，有拷贝构造，也有移动构造时

Linux 关闭优化 :       正常 VS2022 Debug 下运行 :   

嗯 ? 发现了什么 ? 有移动构造就不会走拷贝构造了 , 右值一定就走移动构造了 , 代价小 , 效率高 .

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• 移动赋值

还有赋值的情况 , 笔者就不展示了 , 这里只想通过以上的讲解了解 , 编译器原来是可以优化的 , 一些步骤编译器会优化为它认为可行的步骤 , 知道编译器优化即可 ~

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四、面试重要题

● 什么是左值 ? 什么是右值 ? 如何区分 ?

• 左值

左值是一个表示数据的表达式 , 具有持久状态 , 它可以取地址 . 比如 : 变量名 , 解引用的指针等 .

• 右值

右值是一个数据表达式 , 它不可以取地址 . 比如 : 字面值常量 , 临时对象 , 匿名对象 , 这些具有常性的都是右值 .

• 区分

二者通过是否能取地址进行区分 , 这是区分的关键 .

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● 左值引用和右值引用有什么价值 ? 为什么还要有右值引用 ?

问题 1 :

答 :

1. 左值引用和右值引用的最终目的是为了 : 减少拷贝 , 提高效率 .

2. 左值引用可以达到修改参数 / 返回值的效果 , 方便好用 .    3. 在插入时 , 右值引用可以提高效率 , 如 : STL 中C++11 list 的 insert 中引入了右值引用 .

问题 2 :

答 :

因为左值引用的场景也受限 , 对于传值返回的情况 , 如果返回的值是一个局部变量    但, 局部变量出了该函数所在的作用域就会销毁 , 如果这样的话就导致引用就是空引用了(左值引用的缺陷)    拿底层来讲就是野指针了 , 面临风险较大 . 所以为了解决这样的场景 C++ 11提出了右值引用    和移动语义可以很好的解决这一点 .

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● 讲一下移动语义 ; 它的提出能解决什么? 怎么解决的 ?

问题 1 :

答 :

移动语义是 C++11 提出来的 , 具有很大意义 , 可以提供效率 . 移动语义分为 , 移动构造和移动赋值   如果参数是右值 ,并且存在移动构造和移动赋值 , 那么就会调用它们 , 但在 C++98 中会调用拷贝构   和拷贝赋值 , 移动语义和移动赋值简单来讲就是来 '掠夺资源 ' 不会存在资源复制对于自定义类型的   深拷贝调用二者会大大提高效率 .

问题 2 : (了解)

答 :

移动语义和右值引用可以很好的解决传值返回的问题 , 对于返回的是局部变量或对象时 , 通过移动语   义就不会走拷贝构造了 , 就不存在资源是深层复制了 , 即使 , 局部变量作用域销毁 , 也不会影响接受者   比如 : 有一个字符串相加的函数 , 在其内部创建一个局部对象 自定义类型的string str ; 然后进行系列操   作后 , 把其返回 , 用 ret 接受返回值 , 这里面存在移动构造 , 即 : 本来 str 是临时对象 , ret 与 str 进行   资源交换 , 那么 str 就会空 , 为空当进行析构时就不会释放 str 指向的资源 , 这时 ret 就得到了资源 , 可   以正产管理了 .

// 这里是 string 自定义类 , 里面包含 : 移动语义

.....
.....
.....

// ....

namespace GJG
{
	string addStrings(string num1, string num2)
	{
		string str;
		// ..... 
		return str;
	}
}
int main()
{
	GJG::string ret = GJG::addStrings("11111", "22222");
	return 0;
}

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总结

以上本章节所有内容 , 希望对学者有所帮助 ! 觉得有帮助的还不忘点赞哦 ~ 抱拳 ~ 抱拳 ~ .