區(qū)分左值與右值

在C++面試的時候，有一個看起來似乎挺簡單的問題，卻總可以挖出坑來，就是問：“如何區(qū)分左值與右值？”

如果面試者自信地回答：“簡單來說，等號左邊的就是左值，等號右邊的就是右值。” 那么好了，手寫一道面試題繼續(xù)提問。

int a=1;
int b=a;

問：a和b各是左值還是右值？

b是左值沒有疑問，但如果說a在上面是左值，在下面是右值的，那就要面壁思過了。C++從來就不是一門可以淺嘗輒止的編程語言，要學(xué)好它真的需要不斷地去探問。公布答案：上面代碼中的a和b都是左值。所以在很多地方都能看到的區(qū)分左右值說法是并不準(zhǔn)確的。

如果是給出描述性的說明，那么左值就是指向特定內(nèi)存具有名稱的值（具名對象），它有一個相對穩(wěn)定的內(nèi)存地址，并且有一段較長的生命周期。右值是不指向穩(wěn)定內(nèi)存地址的匿名值（不具名對象），它的生命周期很短，通常是暫時性的。

要是看著上面這段說明有些抽象，那還有一個好辦法來幫助區(qū)分，那就是是否可以用取地址符“&”來獲得地址。如果能取到地址的則為左值，否則編譯期都報錯的，那就是右值。

還是以上面的代碼為例，&a; &b;這個一眼能看出來可以取地址成功，這是左值。而&1這樣的寫法編譯器肯定會報錯，所以1是右值。用這樣的方法，目測也可以判斷出來了。

右值引用

說到C++中的引用，相信大家都很熟悉其用法了。在函數(shù)調(diào)用時需要對變量進行修改，或者避免內(nèi)存復(fù)制，就會使用引用的方式。當(dāng)然，使用指針也能達到一樣的效果，但引用相對來說更為安全可靠。這種使用方式就是左值引用。

那么好了，我們先從語法上來認(rèn)識一下右值引用。

int i = 0;
int &j = i; //左值引用
int &&k = 10; //右值引用

我們看到，右值引用的寫法就是在變量名前加上"&&"標(biāo)識。它的作用是可以延長字面量數(shù)字10的生命周期。不過，這看起來似乎并沒什么用，不像左值引用那樣已經(jīng)深入人心。那么，我們接下來看一段有意義的示例代碼。

#include        <iostream>
using namespace std;
static const int DataSize = 1024;
class ActOne {
    public:
        ActOne() { cout << "ActOne default construct" << endl; }
        ActOne(const ActOne &one) { cout << "ActOne copy construct" << endl; }
        ~ActOne() { cout << "ActOne destructor" << endl;}
        void DoSomething() { cout << "ActOne work" << endl; }
};
ActOne make_one() {
    ActOne one;
    return one;
}
int main() {
    ActOne one = make_one();
    one.DoSomething();
    cout << "++++++++++" << endl;
    ActOne &&one2 = make_one();
    one2.DoSomething();
}

上述源碼就是實現(xiàn)生成一個對象并返回的功能。需要注意的是，如果使用g++編譯器，對這段代碼進行編譯的時候要加上-fno-elide-constructors以屏蔽編譯器對構(gòu)造函數(shù)的優(yōu)化操作。

再來看下運行結(jié)果：

ActOne default construct
ActOne copy construct
ActOne destructor
ActOne copy construct
ActOne destructor
ActOne work
++++++++++
ActOne default construct
ActOne copy construct
ActOne destructor
ActOne work
ActOne destructor
ActOne destructor

經(jīng)過對比，我們可以發(fā)現(xiàn)未使用右值引用的寫法中，拷貝構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行了兩次，因為這是make_one()中的return one;會復(fù)制一次構(gòu)造產(chǎn)生的臨時對象，接著在ActOne one = make_one();語句中將臨時對象復(fù)制到one變量，這是第二次拷貝構(gòu)造的調(diào)用。

那么，使用了右值引用的方法中，拷貝構(gòu)造函數(shù)只調(diào)用了一次，one2實際上指向的是一個臨時存儲的變量。因為這個臨時變量被one2作為右值所引用，因此其生命期也延長到main函數(shù)結(jié)束才調(diào)用解析構(gòu)造方法。

大家可以好好體會一下右值引用的作用，對于性能敏感的C++程序員來說，它不僅是降低了程序運行的開銷，而且臨時局部變量的可引用，也意味著可以減少動態(tài)分配內(nèi)存所帶來的管理復(fù)雜度。

移動語義

可能有同學(xué)出于對技術(shù)的追求，會繼續(xù)提問：那我還想優(yōu)化程序性能，再減少一次拷貝構(gòu)造函數(shù)的開銷行不行？應(yīng)當(dāng)對這樣的提問給予積極的回應(yīng)，答案是可以的，這就是C++11標(biāo)準(zhǔn)所引入的移動語義。

讓我們將上一節(jié)的代碼稍加改動，然后來體會一下移動語義的使用。main函數(shù)和make_one函數(shù)沒有變化，所以僅列出ActOne類的源碼。

class ActOne {
    public:
        ActOne():data_ptr(new uint8_t[DataSize]) { cout << "ActOne default construct" << endl; }
        ActOne(const ActOne &one) { cout << "ActOne copy construct" << endl; }
        ActOne(ActOne &&one) { // 移動構(gòu)造方法
            cout << "ActOne move construct" << endl;
            data_ptr = one.data_ptr;
            one.data_ptr = nullptr;
        }
        ~ActOne() {
            cout << "ActOne destructor" << endl;
            if (data_ptr != nullptr) {
                delete []data_ptr;
            }
        }
        void DoSomething() { cout << "ActOne work" << endl; }
    private:
        uint8_t *data_ptr;
};

我想對于任何一名寫C/C++的代碼的程序員來說，最大的愿望就是動態(tài)內(nèi)存的分配和釋放次數(shù)越少越好。源碼中的ActOne(ActOne &&one)就是一個移動構(gòu)造方法，它接受的是一個右值作為參數(shù)，通過轉(zhuǎn)移實參對象的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)構(gòu)造目標(biāo)對象。如果是復(fù)制構(gòu)造要怎么做？那就要先為data_ptr分配好內(nèi)存，然后再調(diào)用內(nèi)存拷貝函數(shù)memcpy進行一次DataSize字節(jié)數(shù)的復(fù)制。

相比于復(fù)制構(gòu)造方法，移動構(gòu)造只需要進行指針值的替換即可，其時空消耗是不可同日而語的。程序添加了一個移動構(gòu)造方法運行之后的結(jié)果如下：

ActOne default construct
ActOne move construct
ActOne destructor
ActOne move construct
ActOne destructor
ActOne work
++++++++++
ActOne default construct
ActOne move construct
ActOne destructor
ActOne work
ActOne destructor
ActOne destructor

從上面的結(jié)果可以觀察到，在右值引用和移動語義的配合下，內(nèi)存的分配實際只發(fā)生了一次，移動構(gòu)造也只有一次。大家可以往上翻到上一節(jié)的程序打印結(jié)果，對比一下純拷貝式的構(gòu)造，進行了三次內(nèi)存的分配，兩次內(nèi)存深復(fù)制操作。這對于程序性能的影響已經(jīng)不用多說了，各位可以進行benchmark測試以驗證移動語義帶來的提升了。

從構(gòu)造函數(shù)的優(yōu)先級來說，編譯器對于右值會優(yōu)先使用移動構(gòu)造函數(shù)去生成目標(biāo)對象，如果移動構(gòu)造函數(shù)不存在，則是使用復(fù)制構(gòu)造函數(shù)。那么賦值運算符能不能進行移動操作呢？答案是可以的，這個實現(xiàn)就留給各位自己去嘗試吧。

提示一下，賦值運算符函數(shù)的聲明：

ActOne & operator=(ActOne &&one) {……}

完美轉(zhuǎn)發(fā)

我們再來學(xué)習(xí)C++11中的一個新特性，就是萬能引用。何謂萬能，這個名稱很唬人，其實就是一種引用的實現(xiàn)方法，它既可以引用左值，也可以引用右值。不廢話，還是直接上代碼。

int get_param() { return 100；}
int &&a = get_param(); // a為右值引用
auto &&b = get_param(); // b為萬能引用

可以看到，a和b的區(qū)別就在于b的類型是由auto推導(dǎo)而來，而a則是確定類型的。這是作為函數(shù)返回值的，再看一個模板參數(shù)的例子：

template <class T> 
void func1(T &&t){} // t為萬能引用
int a = 100;
const int b = 200;
func1(a);
func1(b);
func1(get_param());

模板方法的參數(shù)t可以接受任何類型的數(shù)據(jù)，并推導(dǎo)出一個引用類型結(jié)果，是什么結(jié)果我們后面會說。所以我們會發(fā)現(xiàn)，萬能引用本質(zhì)上是發(fā)生了類型推導(dǎo)。auto &&和T &&在初始化過程中都會發(fā)生類型推導(dǎo)。

那么推導(dǎo)結(jié)果的規(guī)則也很簡單：

1. 如果源對象是左值，則目標(biāo)對象會被推導(dǎo)為左值引用；
2. 如果源對象是右值，則目標(biāo)對象會被推導(dǎo)為右值引用。

萬能引用的概念大家已經(jīng)了解，那么它的用途是什么呢？這就是本節(jié)標(biāo)題所要說的完美轉(zhuǎn)發(fā)。實話說，我不太喜歡C++術(shù)語中的某些翻譯，在中文語境下很容易讓人費解、誤解或是產(chǎn)生不必要的期待。例如C++的萬能引用可以實現(xiàn)完美轉(zhuǎn)發(fā)，如果你向一名初學(xué)者來上這么一句，他是不是會覺得“這門語言也太牛X了吧，竟然有萬能和完美的特性？” 竊以為換成“全值引用”和“任意轉(zhuǎn)發(fā)”會不會低調(diào)和貼切一些呢。

讓我們先從轉(zhuǎn)發(fā)的一個局限性示例說起：

template<class T>
void show_info(T t) {
    cout << "type is: " << typeid(t).name() << endl;
}
template<class T>
void transform(T t) {
    show_info(t);
}
int main() {
    string tmp("test for forward");
    transform(tmp);
}

上述代碼可以工作，但從性能上說string類對象作為參數(shù)傳遞時會發(fā)生一次臨時對象復(fù)制。在實際工作中，它可能就是一個包含有大塊內(nèi)存變量的對象，顯然不能這么干。那就給參數(shù)加上一個&符使之成為左值引用吧。下一個問題又來了，如果傳的參數(shù)是個右值怎么？看到這里，大家就明白了，要想結(jié)束抬杠在這兒用上萬能引用就好了。

最終版完美引用實現(xiàn)，僅列出有變動的代碼：

template<class T>
void transform(T &&t) {
    show_info(std::forward<T>(t));
}

std::forward()是標(biāo)準(zhǔn)庫中的模板方法，它的功能就是可以根據(jù)值的類型將其按左值引用或右值引用進行轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，既避免了臨時對象復(fù)制的開銷，又可以支持任意類型的對象轉(zhuǎn)發(fā)。某種意義上，將其稱為“完美”似乎也并不為過。畢竟要讓挑剔的C++程序員感到滿意并不容易啊。

需要注意的是，標(biāo)準(zhǔn)庫中的std::move()方法是將任意實參轉(zhuǎn)換為右值引用，使用這個方法不需要指定模板實參。而std::forward()方法在使用的時候必須指定模板實參，也只有它才能按實際類型進行轉(zhuǎn)發(fā)。

結(jié)語

右值引用說到這里，相信大家已經(jīng)從一知半解的狀態(tài)到可以理解并運用了。它對于苛求性能以及強調(diào)效率的場景有著非凡的意義，例如在基礎(chǔ)庫組件的實現(xiàn)中。雖然大多數(shù)程序員都不一定會參與到基礎(chǔ)庫的開發(fā)中，但這就看個人對于技術(shù)之道的追求了。即使是調(diào)用別人做好的庫來組裝一個應(yīng)用，也會遇到性能調(diào)優(yōu)的問題，那個時候你對老板有多大的價值就體現(xiàn)在這里了。

如果大家在工作中發(fā)現(xiàn)以前的代碼在用支持C++11的編譯器重新編譯之后，運行效率居然有了提升，不用奇怪，這就是基于C++11的新特性做的編譯期優(yōu)化。例如今天學(xué)習(xí)的右值引用、移動語義、萬能引用、完美轉(zhuǎn)發(fā)等就在語法層面提供了良好的支持。

希望我們接下來在實踐中不斷練習(xí)，能夠發(fā)揮出C++的最大威力來！