右值引⽤和移动语义
C++98的C++语法中就有引⽤的语法，⽽C++11中新增了的右值引⽤语法特性，C++11之后我们之前学习的引⽤就叫做左值引⽤。⽆论左值引⽤还是右值引⽤，都是给对象取别名。
1.1 左值和右值
• 左值是⼀个表⽰数据的表达式(如变量名或解引⽤的指针)，⼀般是有持久状态，存储在内存中，我们可以获取它的地址，左值可以出现赋值符号的左边，也可以出现在赋值符号右边。定义时const修饰符后的左值，不能给他赋值，但是可以取它的地址。
cpp
int main()
{
//以下的p、b、c、*p都是左值
int* p = new int(0);
int b = 1;
const int c = 2;
return 0;
}• 右值也是⼀个表⽰数据的表达式，要么是字⾯值常量、要么是表达式求值过程中创建的临时对象等，右值可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现出现在赋值符号的左边，右值不能取地址。
cpp
int main()
{
double x = 1.1, y = 2.2;
//以下几个都是常见的右值
10;
x + y;
fmin(x, y);
//错误示例（右值不能出现在赋值符号的左边）
//10 = 1;
//x + y = 1;
//fmin(x, y) = 1;
return 0;
}注意
这些临时变量和常量值并没有被实际存储起来，这也就是为什么右值不能被取地址的原因，因为只有被存储起来后才有地址。
这里说函数的返回值是右值，指的是传值返回的函数，因为传值返回的函数在返回对象时返回的是对象的拷贝，这个拷贝出来的对象就是一个临时变量。
• 值得⼀提的是，左值的英⽂简写为lvalue，右值的英⽂简写为rvalue。传统认为它们分别是leftvalue、rightvalue的缩写。现代C++中，lvalue被解释为loactor value的缩写，可意为存储在内存中、有明确存储地址可以取地址的对象，⽽rvalue被解释为read value，指的是那些可以提供数据值，但是不可以寻址，例如：临时变量，字⾯量常量，存储于寄存器中的变量等，也就是说左值和右值的核⼼区别就是能否取地址。
1.2左值引用 vs 右值引用
• Type& r1 = x; Type&& rr1 = y; 第⼀个语句就是左值引⽤，左值引⽤就是给左值取别名，第⼆个就是右值引⽤，同样的道理，右值引⽤就是给右值取别名。
cpp
int main()
{
//以下的p、b、c、*p都是左值
int* p = new int(0);
int b = 1;
const int c = 2;
//以下几个是对上面左值的左值引用
int*& rp = p;
int& rb = b;
const int& rc = c;
int& pvalue = *p;
return 0;
}
cpp
int main()
{
double x = 1.1, y = 2.2;
//以下几个都是常见的右值
10;
x + y;
fmin(x, y);
//以下几个都是对右值的右值引用
int&& rr1 = 10;
double&& rr2 = x + y;
double rr3 = fmin(x, y);
return 0;
}• 左值引⽤不能直接引⽤右值，但是const左值引⽤可以引⽤右值
• 右值引⽤不能直接引⽤左值，但是右值引⽤可以引⽤move(左值）
• move是库⾥⾯的⼀个函数模板，本质内部是进⾏强制类型转换，当然他还涉及⼀些引⽤折叠的知识，这个我们后⾯会细讲。
• 需要注意的是变量表达式都是左值属性，也就意味着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
右值是不能取地址的，但是给右值取别名后，会导致右值被存储到特定位置，这时这个右值可以被取到地址，并且可以被修改，如果不想让被引用的右值被修改，可以用const修饰右值引用。比如：
cpp
int main()
{
double x = 1.1, y = 2.2;
int&& rr1 = 10;
const double&& rr2 = x + y;
rr1 = 20;
rr2 = 5.5; //报错
return 0;
}1.3右值引用使用场景和意义
虽然const左值引用既能接收左值，又能接收右值，但左值引用终究存在短板，而C++11提出的右值引用就是用来解决左值引用的短板的。
为了更好的说明问题，这里需要借助一个深拷贝的类，下面模拟实现了一个简化版的string类。类当中实现了一些基本的成员函数，并在string的拷贝构造函数和赋值运算符重载函数当中打印了一条提示语句，这样当调用这两个函数时我们就能够知道。
cpp
namespace lzy
{
class string
{
public:
typedef char* iterator;
iterator begin()
{
return _str; //返回字符串中第一个字符的地址
}
iterator end()
{
return _str + _size; //返回字符串中最后一个字符的后一个字符的地址
}
//构造函数
string(const char* str = "")
{
_size = strlen(str); //初始时，字符串大小设置为字符串长度
_capacity = _size; //初始时，字符串容量设置为字符串长度
_str = new char[_capacity + 1]; //为存储字符串开辟空间（多开一个用于存放'\0'）
strcpy(_str, str); //将C字符串拷贝到已开好的空间
}
//交换两个对象的数据
void swap(string& s)
{
//调用库里的swap
::swap(_str, s._str); //交换两个对象的C字符串
::swap(_size, s._size); //交换两个对象的大小
::swap(_capacity, s._capacity); //交换两个对象的容量
}
//拷贝构造函数（现代写法）
string(const string& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s._str); //调用构造函数，构造出一个C字符串为s._str的对象
swap(tmp); //交换这两个对象
}
//赋值运算符重载（现代写法）
string& operator=(const string& s)
{
cout << "string& operator=(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
string tmp(s); //用s拷贝构造出对象tmp
swap(tmp); //交换这两个对象
return *this; //返回左值（支持连续赋值）
}
//析构函数
~string()
{
delete[] _str; //释放_str指向的空间
_str = nullptr; //及时置空，防止非法访问
_size = 0; //大小置0
_capacity = 0; //容量置0
}
//[]运算符重载
char& operator[](size_t i)
{
assert(i < _size); //检测下标的合法性
return _str[i]; //返回对应字符
}
//改变容量，大小不变
void reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity) //当n大于对象当前容量时才需执行操作
{
char* tmp = new char[n + 1]; //多开一个空间用于存放'\0'
strncpy(tmp, _str, _size + 1); //将对象原本的C字符串拷贝过来（包括'\0'）
delete[] _str; //释放对象原本的空间
_str = tmp; //将新开辟的空间交给_str
_capacity = n; //容量跟着改变
}
}
//尾插字符
void push_back(char ch)
{
if (_size == _capacity) //判断是否需要增容
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2); //将容量扩大为原来的两倍
}
_str[_size] = ch; //将字符尾插到字符串
_str[_size + 1] = '\0'; //字符串后面放上'\0'
_size++; //字符串的大小加一
}
//+=运算符重载
string& operator+=(char ch)
{
push_back(ch); //尾插字符串
return *this; //返回左值（支持连续+=）
}
//返回C类型的字符串
const char* c_str()const
{
return _str;
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
}左值引用的使用场景
在说明左值引用的短板之前，我们先来看看左值引用的使用场景：
左值引用做参数，防止传参时进行拷贝操作。
左值引用做返回值，防止返回时对返回对象进行拷贝操作。
cpp
void func1(lzy::string s)
{}
void func2(const lzy::string& s)
{}
int main()
{
lzy::string s("hello world");
func1(s); //值传参
func2(s); //左值引用传参
s += 'X'; //左值引用返回
return 0;
}因为我们模拟实现是string类的拷贝构造函数当中打印了提示语句，因此运行代码后通过程序运行结果就知道，值传参时调用了string的拷贝构造函数。
此外，因为string的+=运算符重载函数是左值引用返回的，因此在返回+=后的对象时不会调用拷贝构造函数，但如果将+=运算符重载函数改为传值返回，那么重新运行代码后你就会发现多了一次拷贝构造函数的调用。
我们都知道string的拷贝是深拷贝，深拷贝的代价是比较高的，我们应该尽量避免不必要的深拷贝操作，因此这里左值引用起到的作用还是很明显的。
左值引用的短板
•局部变量不能返左值引用；
(1. 局部变量是左值，这一点没错。
-
但左值 ≠ 可以返回引用。
-
能不能返回引用，看生命周期是否超过函数。
-
局部变量出函数就销毁，返回引用 = 野引用。
-
全局/静态/外部对象生命周期长，才能安全返回左值引用。 )
•非局部变量可以返左值引用，做到真正零损耗。
•没优化时，值返回就会产生昂贵拷贝。
cpp
namespace lzy
{
lzy::string to_string(int value)
{
bool flag = true;
if (value < 0)
{
flag = false;
value = 0 - value;
}
lzy::string str;
while (value > 0)
{
int x = value % 10;
value /= 10;
str += (x + '0');
}
if (flag == false)
{
str += '-';
}
std::reverse(str.begin(), str.end());
return str;
}
}此时调用to_string函数返回时，就一定会调用string的拷贝构造函数。比如：
cpp
int main()
{
lzy::string s = lzy::to_string(1234);
return 0;
}C++11提出右值引用就是为了解决左值引用的这个短板的，但解决方式并不是简单的将右值引用作为函数的返回值。(当编译器没有进行优化时）
右值引用和移动语义
右值引用和移动语句解决上述问题的方式就是，给当前模拟实现的string类增加移动构造和移动赋值方法。
移动构造
• 移动构造函数是⼀种构造函数，类似拷⻉构造函数，移动构造函数要求第⼀个参数是该类类型的引⽤，但是不同的是要求这个参数是右值引⽤，如果还有其他参数，额外的参数必须有缺省值。
• 移动赋值是⼀个赋值运算符的重载，他跟拷⻉赋值构成函数重载，类似拷⻉赋值函数，移动赋值函数要求第⼀个参数是该类类型的引⽤，但是不同的是要求这个参数是右值引⽤。
cpp
namespace lzy
{
class string
{
public:
//移动构造
string(string&& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;
swap(s);
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
}移动构造和拷贝构造的区别：
• 在没有增加移动构造之前，由于拷贝构造采用的是const左值引用接收参数，因此无论拷贝构造对象时传入的是左值还是右值，都会调用拷贝构造函数。
• 增加移动构造之后，由于移动构造采用的是右值引用接收参数，因此如果拷贝构造对象时传入的是右值，那么就会调用移动构造函数（最匹配原则）。
• string的拷贝构造函数做的是深拷贝，而移动构造函数中只需要调用swap函数进行资源的转移，因此调用移动构造的代价比调用拷贝构造的代价小。
说明:
• 虽然to_string当中返回的局部string对象是一个左值，但由于该string对象在当前函数调用结束后就会立即被销毁，我可以把这种即将被消耗的值叫做"将亡值"，比如匿名对象也可以叫做"将亡值"。
• 既然"将亡值"马上就要被销毁了，那还不如把它的资源转移给别人用，因此编译器在识别这种"将亡值"时会将其识别为右值，这样就可以匹配到参数类型为右值引用的移动构造函数。
编译器优化
1.当一个函数在返回局部对象时，会先用这个局部对象拷贝构造出一个临时对象，然后再用这个临时对象来拷贝构造我们接收返回值的对象。如下
2.因此在C++11标准出来之前，对于深拷贝的类来说这里就会进行两次深拷贝，所以大部分编译器为了提高效率都对这种情况进行了优化，这种连续调用构造函数的场景通常会被优化成一次。比如：
3.需要注意的是在vs2019的release和vs2022的debug和release，下⾯代码优化为⾮常恐怖，会直接将str对象的构造，str拷⻉构造临时对象，临时对象拷⻉构造ret对象，合三为⼀，变为直接构造。变为直接构造。要理解这个优化要结合局部对象⽣命周期和栈帧的⻆度理解
但是在c++11之后就算没有优化也没关系，因为不优化也就是调用两次移动构造进行两次资源的转移而已。
但如果我们不是用函数的返回值来构造一个对象，而是用一个之前已经定义出来的对象来接收函数的返回值，这时编译器就无法完全优化了。比如
返回值优化 RVO/NRVO 只作用于对象初始化，也就是用返回值直接构造一个新对象时，编译器可以直接在目标内存构造，省略拷贝和移动。
但如果目标对象已经存在，只是执行赋值操作，对象生命周期已经开始，编译器不能跳过赋值语义，因此至少会发生一次移动赋值或拷贝赋值，无法完全优化。
cpp
// 代码1
A func() {
A a;
return a;
}
A x = func();
// 代码2
A x;
x = func();第一段是初始化，可以 RVO，直接构造，零拷贝零移动。
第二段对象已经存在，只能赋值，至少一次移动/拷贝，优化不掉。
初始化是"造对象"，编译器可以随便优化布局。
赋值是"改对象"，对象已经活着，不能凭空消失重来。
移动赋值
移动赋值是一个赋值运算符重载函数，该函数的参数是右值引用类型的，移动赋值也是将传入右值的资源窃取过来，占为己有，这样就避免了深拷贝，所以它叫移动赋值，就是窃取别人的资源来赋值给自己的意思。
在当前的string类中增加一个移动赋值函数，该函数要做的就是调用swap函数将传入右值的资源窃取过来，为了能够更好的得知移动赋值函数是否被调用，可以在该函数中打印一条提示语句。
cpp
namespace cl
{
class string
{
public:
//移动赋值
string& operator=(string&& s)
{
cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;
swap(s);
return *this;
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
}移动赋值和原有operator=函数的区别：
• 在没有增加移动赋值之前，由于原有operator=函数采用的是const左值引用接收参数，因此无论赋值时传入的是左值还是右值，都会调用原有的operator=函数。
• 增加移动赋值之后，由于移动赋值采用的是右值引用接收参数，因此如果赋值时传入的是右值，那么就会调用移动赋值函数（最匹配原则）。
• string原有的operator=函数做的是深拷贝，而移动赋值函数中只需要调用swap函数进行资源的转移，因此调用移动赋值的代价比调用原有operator=的代价小。
1.4类型分类
• C++11以后，进⼀步对类型进⾏了划分，右值被划分纯右值(pure value，简称prvalue)和将亡值(expiring value，简称xvalue)。
• 纯右值是指那些字⾯值常量或求值结果相当于字⾯值或是⼀个不具名的临时对象。如： 42、true、nullptr 或者类似 str.substr(1, 2)、str1 + str2 传值返回函数调⽤，或者整形 a、b，a++，a+b 等。纯右值和将亡值C++11中提出的，C++11中的纯右值概念划分等价于C++98中的右值。
• 将亡值是指返回右值引⽤的函数的调⽤表达式和转换为右值引⽤的转换函数的调⽤表达，如move(x)、static_cast<X&&>(x)
• 泛左值(generalized value，简称glvalue)，泛左值包含将亡值和左值。
1.5引⽤折叠
• C++中不能直接定义引⽤的引⽤如 int& && r = i; ，这样写会直接报错，通过模板 或typedef 中的类型操作可以构成引⽤的引⽤。
• 通过模板或typedef中的类型操作可以构成引⽤的引⽤时，这时C++11给出了⼀个引⽤折叠的规则：右值引⽤的右值引⽤折叠成右值引⽤，所有其他组合均折叠成左值引⽤。
• 下⾯的程序中很好的展⽰了模板和typedef时构成引⽤的引⽤时的引⽤折叠规则，⼤家需要⼀个⼀个仔细理解⼀下。
• 像f2这样的函数模板中，T&&x参数看起来是右值引⽤参数，但是由于引⽤折叠的规则，他传递左值时就是左值引⽤，传递右值时就是右值引⽤，有些地⽅也把这种函数模板的参数叫做万能引⽤。
如下：
cpp
//1.模版
// 由于引⽤折叠限定，f1实例化以后总是⼀个左值引⽤
template<class T>
void f1(T& x)
{}
// 由于引⽤折叠限定，f2实例化后可以是左值引⽤，也可以是右值引⽤
template<class T>
void f2(T&& x)
{}
cpp
int main()
{
//2.typedef
typedef int& lref;
typedef int&& rref;
int n = 0;
lref& r1 = n; // r1 的类型是 int&
lref&& r2 = n; // r2 的类型是 int&
rref& r3 = n; // r3 的类型是 int&
rref&& r4 = 1; // r4 的类型是 int&&
cpp
// 没有折叠->实例化为void f1(int& x)
f1<int>(n);
f1<int>(0); // 报错
// 折叠->实例化为void f1(int& x)
f1<int&>(n);
f1<int&>(0); // 报错
// 折叠->实例化为void f1(int& x)
f1<int&&>(n);
f1<int&&>(0); // 报错
// 折叠->实例化为void f1(const int& x)
f1<const int&>(n);
f1<const int&>(0);
// 折叠->实例化为void f1(const int& x)
f1<const int&&>(n);
f1<const int&&>(0);
// 没有折叠->实例化为void f2(int&& x)
f2<int>(n); // 报错
f2<int>(0);
// 折叠->实例化为void f2(int& x)
f2<int&>(n);
f2<int&>(0); // 报错
// 折叠->实例化为void f2(int&& x)
f2<int&&>(n); // 报错
f2<int&&>(0);
return 0;
}• Function(T&&t)函数模板程序中，假设实参是int右值，模板参数T的推导int，实参是int左值，模板参数T的推导int&，再结合引⽤折叠规则，就实现了实参是左值，实例化出左值引⽤版本形参的Function，实参是右值，实例化出右值引⽤版本形参Function。
cpp
template<class T>
void Function(T&& t)
{
int a = 0;
T x = a;
//x++;
cout << &a << endl;
cout << &x << endl << endl;
}
int main()
{
// 10是右值，推导出T为int，模板实例化为void Function(int&& t)
Function(10); // 右值
int a;
// a是左值，推导出T为int&，引⽤折叠，模板实例化为void Function(int& t)
Function(a); // 左值
// std::move(a)是右值，推导出T为int，模板实例化为void Function(int&& t)
Function(std::move(a)); // 右值
const int b = 8;
// a是左值，推导出T为const int&，引⽤折叠，模板实例化为void Function(const int&
t)
// 所以Function内部会编译报错，x不能++
Function(b); // const 左值
// std::move(b)右值，推导出T为const int，模板实例化为void Function(const int&&
t)
// 所以Function内部会编译报错，x不能++
Function(std::move(b)); // const 右值
return 0;
}1.6完美转发
• Function(T&&t)函数模板程序中，传左值实例化以后是左值引⽤的Function函数，传右值实例化以后是右值引⽤的Function函数。
• 但是结合我们在1.2的讲解，变量表达式都是左值属性，也就意味着⼀个右值被右值引⽤绑定后，右值引⽤变量表达式的属性是左值，也就是说Function函数中t的属性是左值，那么我们把t传递给下⼀层函数Fun，那么匹配的都是左值引⽤版本的Fun函数。这⾥我们想要保持t对象的属性，就需要使⽤完美转发实现。
（只要是具名的变量（不管是左值引用还是右值引用），在函数内作为参数传递时，都会被当作左值处理。）
• 完美转发forward本质是⼀个函数模板，他主要还是通过引⽤折叠的⽅式实现，下⾯⽰例中传递给Function的实参是右值，T被推导为int，没有折叠，forward内部t被强转为右值引⽤返回；传递给Function的实参是左值，T被推导为int&，引⽤折叠为左值引⽤，forward内部t被强转为左值引⽤返回。
cpp
template <class _Ty>
_Ty&& forward(remove_reference_t<_Ty>& _Arg) noexcept
{
// forward an lvalue as either an lvalue or an rvalue
return static_cast<_Ty&&>(_Arg);
}
void Fun(int& x) { cout << "左值引⽤" << endl; }
void Fun(const int& x) { cout << "const 左值引⽤" << endl; }
void Fun(int&& x) { cout << "右值引⽤" << endl; }
void Fun(const int&& x) { cout << "const 右值引⽤" << endl; }
template<class T>
void Function(T&& t)
{
Fun(t);
//Fun(forward<T>(t));
}
int main()
{
// 10是右值，推导出T为int，模板实例化为void Function(int&& t)
Function(10); // 右值
int a;
// a是左值，推导出T为int&，引⽤折叠，模板实例化为void Function(int& t)
Function(a); // 左值
// std::move(a)是右值，推导出T为int，模板实例化为void Function(int&& t)
Function(std::move(a)); // 右值
const int b = 8;
// a是左值，推导出T为const int&，引⽤折叠，模板实例化为void Function(const int&
t)
Function(b); // const 左值
// std::move(b)右值，推导出T为const int，模板实例化为void Function(const int&&
t)
Function(std::move(b)); // const 右值
return 0;
}完美转发的使用场景
下面模拟实现了一个简化版的list类，类当中分别提供了左值引用版本和右值引用版本的push_back和insert函数。
代码如下：
cpp
namespace lzy
{
template<class T>
struct ListNode
{
T _data;
ListNode* _next = nullptr;
ListNode* _prev = nullptr;
};
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> node;
public:
//构造函数
list()
{
_head = new node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
//左值引用版本的push_back
void push_back(const T& x)
{
insert(_head, x);
}
//右值引用版本的push_back
void push_back(T&& x)
{
insert(_head, std::forward<T>(x)); //完美转发
}
//左值引用版本的insert
void insert(node* pos, const T& x)
{
node* prev = pos->_prev;
node* newnode = new node;
newnode->_data = x;
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = pos;
pos->_prev = newnode;
}
//右值引用版本的insert
void insert(node* pos, T&& x)
{
node* prev = pos->_prev;
node* newnode = new node;
newnode->_data = std::forward<T>(x); //完美转发
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = pos;
pos->_prev = newnode;
}
private:
node* _head; //指向链表头结点的指针
};
}具名的右值引用参数会失去右值特性变为左值，导致内部调用左值版本的函数；必须用 std::move （右值引用）或 std::forward （万能引用）显式转换，才能恢复右值特性，匹配到右值版本的函数。
注意
move 和 forward 的本质区别
① std::move(x)
-
不管你是左值还是右值
-
一律强转为右值
-
只做一件事：强制偷家
② std::forward(x)
-
看 T 推导出来是什么
-
如果原来传的是右值 → 转成右值
-
如果原来传的是左值 → 保持左值
-
只做一件事：还原原本的值类别