C++——左值與右值、右值引用、移動(dòng)語義與完美轉(zhuǎn)發(fā)

在C++或者C語言中，一個(gè)表達(dá)式（可以是字面量、變量、對(duì)象、函數(shù)的返回值等）根據(jù)其使用場(chǎng)景不同，分為左值表達(dá)式和右值表達(dá)式。

一、左值和右值的定義

1.左值的英文為locator value，簡(jiǎn)寫為lvalue，可意為存儲(chǔ)在內(nèi)存中、有明確存儲(chǔ)地址（可尋址）的數(shù)據(jù)

2.右值的英文為read value，簡(jiǎn)寫為rvalue，指的是那些可以提供數(shù)據(jù)值的數(shù)據(jù)（不一定可尋址，例如存儲(chǔ)與寄存器中的數(shù)據(jù)）

二、如何判斷一個(gè)表達(dá)式是左值還是右值（大多數(shù)場(chǎng)景）

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

int a = 5;

其中，變量a就是一個(gè)左值，而字面量5就是一個(gè)右值。

注：C++中的左值可以當(dāng)作右值使用，反之則不行，如

int b = 10; //b是一個(gè)左值
a = b; //a、b都是左值，只不過b可以當(dāng)作右值使用
10 = b; //錯(cuò)誤，10是一個(gè)右值，不能當(dāng)作左值使用

2.有名稱的、可以獲取到存儲(chǔ)地址的表達(dá)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(chǔ)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(chǔ)地址（字面量通常存儲(chǔ)在寄存器中，或者和代碼存儲(chǔ)在一起），因此5、10都是右值

三、C++右值引用

C++ 98/03標(biāo)準(zhǔn)中就有引用，但這里的引用只能操作左值，無法對(duì)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(cuò)誤

注意，雖然C++ 98/03標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生一個(gè)問題，實(shí)際開發(fā)中我們可能需要對(duì)右值進(jìn)行修改（如實(shí)現(xiàn)移動(dòng)語義時(shí)），而是用常量左值引用的方式是無法做到這一點(diǎn)的。

為此，C++11新標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行初始化操作，且只能使用右值進(jìn)行初始化，比如：

int num = 10;
int &&a = num; //錯(cuò)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(duì)右值進(jìn)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(shí)際用處。一方面，右值引用主要用于移動(dòng)語義和完美轉(zhuǎn)發(fā)，其中前者需要有修改右值的權(quán)限；其次，常量右值引用的作用就是引用一個(gè)不可修改的右值，而這項(xiàng)工作常量左值引用就可以完成

四、std::move()與移動(dòng)語義

C++11標(biāo)準(zhǔn)中，借助右值引用可以為指定類添加移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)，這樣當(dāng)使用該類的右值對(duì)象（可以理解為臨時(shí)對(duì)象）初始化同類對(duì)象時(shí)，編譯器會(huì)優(yōu)先選擇移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)。

注：移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用時(shí)機(jī)是：用同類的右值對(duì)象初始化新對(duì)象。那么當(dāng)用此類的左值對(duì)象（有名稱，能獲取其存儲(chǔ)地址的實(shí)例對(duì)象）初始化同類對(duì)象時(shí)，如何調(diào)用移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)呢？C++11給出的解決方案就是調(diào)用std::move()函數(shù)。

雖然move是移動(dòng)的意思，但是該函數(shù)并不移動(dòng)任何數(shù)據(jù)，它的功能是將某個(gè)左值強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為右值，常用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)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(zhí)行完之后demo.num會(huì)置為空
    return 0;
}

程序運(yùn)行結(jié)果：

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

通過觀察程序的輸出結(jié)果，以及對(duì)比 demo2 和 demo3 初始化操作不難得知，demo 對(duì)象作為左值，直接用于初始化 demo2 對(duì)象，其底層調(diào)用的是拷貝構(gòu)造函數(shù)；而通過調(diào)用 move() 函數(shù)可以得到 demo 對(duì)象的右值形式，用其初始化 demo3 對(duì)象，編譯器會(huì)優(yōu)先調(diào)用移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)。

五、 完美轉(zhuǎn)發(fā)

什么是完美轉(zhuǎn)發(fā)？

它指的是函數(shù)模板可以將自己的參數(shù)“完美”地轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部調(diào)用的其他函數(shù)。所謂完美，即不僅能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)的值，還能保證被轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)的左、右值屬性不變

舉個(gè)栗子:

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

如上所示，function()函數(shù)模板中調(diào)用了otherdef()函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，完美轉(zhuǎn)發(fā)指的是：如果function()函數(shù)接收到的參數(shù)t為左值，那么該函數(shù)傳遞給otherdef()的參數(shù)t也是左值；反之如果function()函數(shù)接收到的參數(shù)t為右值，那么傳遞給otherdef()函數(shù)的參數(shù)t也必須為右值。

顯然，上面這個(gè)例子中，function()函數(shù)模板并沒有實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)。一方面，參數(shù)t為非引用類型，這意味著在調(diào)用function()函數(shù)時(shí)，實(shí)參將值傳遞給形參的過程就需要額外進(jìn)行一次拷貝操作；另一方面，無論調(diào)用function()函數(shù)模板時(shí)傳遞給參數(shù)t的是左值還是右值，對(duì)于函數(shù)內(nèi)部的參數(shù)t來說，它有自己的名稱，也可以獲取它的存儲(chǔ)地址，因此它永遠(yuǎn)都是左值，即傳遞給otherdef()函數(shù)的參數(shù)t永遠(yuǎn)都是左值。總之，無論從哪個(gè)角度看，function()函數(shù)的定義都不“完美”。

為什么需要完美轉(zhuǎn)發(fā)？

C++11新標(biāo)準(zhǔn)中引入了右值引用和移動(dòng)語義，因此很多場(chǎng)景中是否實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)，直接決定了該參數(shù)的傳遞過程使用的是拷貝語義（調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)）還是移動(dòng)語義（調(diào)用移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)）

如何實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)？

C++98/03標(biāo)準(zhǔn)：由于沒有右值引用，只能通過重載函數(shù)模板（可通過常量左值引用傳遞右值）的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)，且這種方式存在弊端，如：此實(shí)現(xiàn)方式只適用于模板函數(shù)僅有少量參數(shù)的情況，否則就需要編寫大量的重載函數(shù)模板，造成代碼的冗余。

為了方便用戶更快速地實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)，C++11標(biāo)準(zhǔn)中允許在函數(shù)模板中使用右值引用來實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)

C++11標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，通常情況下右值引用形式的參數(shù)只能接收右值，不能接收左值。但對(duì)于函數(shù)模板中使用右值引用語法定義的參數(shù)來說，它不再遵守這一規(guī)定，既可以接收右值，也可以接收左值（此時(shí)的右值引用又被稱為“萬能引用”）

仍以function()函數(shù)為例，在C++11標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)，只需編寫如下一個(gè)模板函數(shù)即可：

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

此模板函數(shù)的參數(shù)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(shù)模板的參數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還有一個(gè)問題需要解決，即如果調(diào)用function()函數(shù)時(shí)為其傳遞一個(gè)左值引用或右值引用的實(shí)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(shí)例化的函數(shù)底層就變成了function(int& &&t)，而由function(num2)實(shí)例化的函數(shù)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(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)，專門為其指定了新的類型匹配規(guī)則，又稱為引用折疊規(guī)則（假設(shè)A表示實(shí)際傳遞參數(shù)的類型）：

• 當(dāng)實(shí)參為左值或左值引用（A&）時(shí)，函數(shù)模板中T&&將轉(zhuǎn)變?yōu)锳&（A& && = A&）；
• 當(dāng)實(shí)參為右值或右值引用（A&&）時(shí)，函數(shù)模板中T&&將轉(zhuǎn)變?yōu)锳&&（A&& && = A&&）；

上述規(guī)則的含義是：在實(shí)現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，只要函數(shù)模板的參數(shù)類型為T&&，則C++可以自行準(zhǔn)確地判定實(shí)際傳入的實(shí)參是左值還是右值

通過將函數(shù)模板的形參類型設(shè)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(gè)問題，即無論傳入的形參是左值還是右值，對(duì)于函數(shù)模板內(nèi)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(shù)模板接收到的形參連同其左、右值屬性，一起傳遞給被調(diào)用的函數(shù)呢？

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

用法示例：

#include <iostream>
#include <utility>using namespace std;//重載被調(diào)用函數(shù)，查看完美轉(zhuǎn)發(fā)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(zhí)行結(jié)果為：

lvaluervaluervaluelvaluelvaluervaluelvaluervaluervalue

總結(jié)