C++——左值與右值、右值引用、移動語義與完美轉發

在C++或者C語言中，一個表達式（可以是字面量、變量、對象、函數的返回值等）根據其使用場景不同，分為左值表達式和右值表達式。

一、左值和右值的定義

1.左值的英文為locator value，簡寫為lvalue，可意為存儲在內存中、有明確存儲地址（可尋址）的數據

2.右值的英文為read value，簡寫為rvalue，指的是那些可以提供數據值的數據（不一定可尋址，例如存儲與寄存器中的數據）

二、如何判斷一個表達式是左值還是右值（大多數場景）

1.可位于賦值號（=）左側的表達式就是左值；反之，只能位于賦值號右側的表達式就是右值。例如：

int a = 5;

其中，變量a就是一個左值，而字面量5就是一個右值。

注：C++中的左值可以當作右值使用，反之則不行，如

int b = 10; //b是一個左值
a = b; //a、b都是左值，只不過b可以當作右值使用
10 = b; //錯誤，10是一個右值，不能當作左值使用

2.有名稱的、可以獲取到存儲地址的表達式即為左值；反之則為右值

以上面定義的變量a、b為例，a和b是變量名，則通過&a和&b可以獲得他們的存儲地址，因此a和b都是左值；反之，字面量5、10，它們既沒有名稱，也無法獲取其存儲地址（字面量通常存儲在寄存器中，或者和代碼存儲在一起），因此5、10都是右值

三、C++右值引用

C++ 98/03標準中就有引用，但這里的引用只能操作左值，無法對右值添加引用，故被稱為左值引用，例如：

int num = 10;
int &b = num; //正確
int &c = 10; //錯誤

注意，雖然C++ 98/03標準不支持為右值建立非常量左值引用，但允許使用常量左值引用操作右值。即，常量左值引用既可以操作左值，也可以操作右值，例如：

int num = 10;
const int &b = num; //正確
const int &c = 10; //正確

為什么需要右值引用？

右值往往是沒有名稱的，因此要使用它只能借助引用的方式。這就產生一個問題，實際開發中我們可能需要對右值進行修改（如實現移動語義時），而是用常量左值引用的方式是無法做到這一點的。

為此，C++11新標準引入了另一種引用方式，成為右值引用，用&&表示

需要注意的是，和聲明左值引用一樣，右值引用也必須立即進行初始化操作，且只能使用右值進行初始化，比如：

int num = 10;
int &&a = num; //錯誤，右值引用不能初始化為左值
int &&a = 10; //正確

和常量左值引用不同的是，右值引用還可以對右值進行修改。例如：

int &&a = 10;
a = 100; //正確

另外，C++語法上是支持定義常量右值引用的，例如：

const int&& a = 10;

但這種定義出來的右值引用并無實際用處。一方面，右值引用主要用于移動語義和完美轉發，其中前者需要有修改右值的權限；其次，常量右值引用的作用就是引用一個不可修改的右值，而這項工作常量左值引用就可以完成

四、std::move()與移動語義

C++11標準中，借助右值引用可以為指定類添加移動構造函數，這樣當使用該類的右值對象（可以理解為臨時對象）初始化同類對象時，編譯器會優先選擇移動構造函數。

注：移動構造函數的調用時機是：用同類的右值對象初始化新對象。那么當用此類的左值對象（有名稱，能獲取其存儲地址的實例對象）初始化同類對象時，如何調用移動構造函數呢？C++11給出的解決方案就是調用std::move()函數。

雖然move是移動的意思，但是該函數并不移動任何數據，它的功能是將某個左值強制轉化為右值，常用于實現移動語義

用法示例：

#include<iostream>
#include<utility>
using namespace std;
class movedemo
{
public:
    movedemo():num(new int(0)) {
        cout << "construct!" << endl;
    }
    //copy constructor
    movedemo(const movedemo &d):num(new int(*d.num)) {
        cout << "copy constrct!" << endl;
    }
    //move constructor
    movedemo(movedemo &&d):num(d.num) {
        d.num = NULL;
        cout << "move construct!" << endl;
    }
private:
    int *num;
};
int main() 
{
    movedemo demo;
    cout << "demo2:\n";
    movedemo demo2 = demo;
    cout << "demo3:\n";
    movedemo demo3 = std::move(demo);//執行完之后demo.num會置為空
    return 0;
}

程序運行結果：

construct!demo2:copy constrct!demo3:move construct!

通過觀察程序的輸出結果，以及對比 demo2 和 demo3 初始化操作不難得知，demo 對象作為左值，直接用于初始化 demo2 對象，其底層調用的是拷貝構造函數；而通過調用 move() 函數可以得到 demo 對象的右值形式，用其初始化 demo3 對象，編譯器會優先調用移動構造函數。

五、 完美轉發

什么是完美轉發？

它指的是函數模板可以將自己的參數“完美”地轉發給內部調用的其他函數。所謂完美，即不僅能準確地轉發參數的值，還能保證被轉發參數的左、右值屬性不變

舉個栗子:

template<typename T>void function(T t) {	otherdef(t);}

如上所示，function()函數模板中調用了otherdef()函數。在此基礎上，完美轉發指的是：如果function()函數接收到的參數t為左值，那么該函數傳遞給otherdef()的參數t也是左值；反之如果function()函數接收到的參數t為右值，那么傳遞給otherdef()函數的參數t也必須為右值。

顯然，上面這個例子中，function()函數模板并沒有實現完美轉發。一方面，參數t為非引用類型，這意味著在調用function()函數時，實參將值傳遞給形參的過程就需要額外進行一次拷貝操作；另一方面，無論調用function()函數模板時傳遞給參數t的是左值還是右值，對于函數內部的參數t來說，它有自己的名稱，也可以獲取它的存儲地址，因此它永遠都是左值，即傳遞給otherdef()函數的參數t永遠都是左值。總之，無論從哪個角度看，function()函數的定義都不“完美”。

為什么需要完美轉發？

C++11新標準中引入了右值引用和移動語義，因此很多場景中是否實現完美轉發，直接決定了該參數的傳遞過程使用的是拷貝語義（調用拷貝構造函數）還是移動語義（調用移動構造函數）

如何實現完美轉發？

C++98/03標準：由于沒有右值引用，只能通過重載函數模板（可通過常量左值引用傳遞右值）的方式實現轉發，且這種方式存在弊端，如：此實現方式只適用于模板函數僅有少量參數的情況，否則就需要編寫大量的重載函數模板，造成代碼的冗余。

為了方便用戶更快速地實現完美轉發，C++11標準中允許在函數模板中使用右值引用來實現完美轉發

C++11標準中規定，通常情況下右值引用形式的參數只能接收右值，不能接收左值。但對于函數模板中使用右值引用語法定義的參數來說，它不再遵守這一規定，既可以接收右值，也可以接收左值（此時的右值引用又被稱為“萬能引用”）

仍以function()函數為例，在C++11標準中實現完美轉發，只需編寫如下一個模板函數即可：

template<typename T>void function(T &&t) {otherdef(t);}

此模板函數的參數t既可以接收左值，也可以接收右值。但僅僅使用右值引用作為函數模板的參數是遠遠不夠的，還有一個問題需要解決，即如果調用function()函數時為其傳遞一個左值引用或右值引用的實參，如下所示：

int n = 10;
int &num = n;
function(num); //T為int &int &&num2 = 11;function(num2); //T為int &&

其中由function(num)實例化的函數底層就變成了function(int& &&t)，而由function(num2)實例化的函數底層則變成了function(int&& &&t)。C++98是不支持這種語法的，而C++11為了更好地實現完美轉發，專門為其指定了新的類型匹配規則，又稱為引用折疊規則（假設A表示實際傳遞參數的類型）：

• 當實參為左值或左值引用（A&）時，函數模板中T&&將轉變為A&（A& && = A&）；
• 當實參為右值或右值引用（A&&）時，函數模板中T&&將轉變為A&&（A&& && = A&&）；

上述規則的含義是：在實現完美轉發時，只要函數模板的參數類型為T&&，則C++可以自行準確地判定實際傳入的實參是左值還是右值

通過將函數模板的形參類型設置為T&&，我們可以很好地解決接收左、右值的問題。但除此之外，還需要解決一個問題，即無論傳入的形參是左值還是右值，對于函數模板內部來說，形參既有名稱又能尋址，因此它都是左值。那么如何才能將函數模板接收到的形參連同其左、右值屬性，一起傳遞給被調用的函數呢？

答案就是使用C++11提供的模板函數forward()，注意其和move的區別是forward要通過顯式模板實參來使用

用法示例：

#include <iostream>
#include <utility>using namespace std;//重載被調用函數，查看完美轉發的效果
template<typename T>
void print(T &t)
{    
cout << "lvalue" << endl;
}
template<typename T>
void print(T &&t) 
{    cout << "rvalue" << endl;
}
template<typename T>
void TestForward(T &&v) 
{    
print(v);    
print(std::forward<T>(v));    
print(std::move(v));
}
int main() 
{    
TestForward(1);  
cout << endl;    
int x = 1;    
TestForward(x);    
cout << endl;    
TestForward(std::forward<int>(x));    
return 0;
}

程序執行結果為：

lvaluervaluervaluelvaluelvaluervaluelvaluervaluervalue

總結