c++11の的左值、右值以及move，foward

时间：2023-09-24 12:40:44

左值和右值的定义

在C++中，可以放到赋值操作符=左边的是左值，可以放到赋值操作符右边的是右值。有些变量既可以当左值又可以当右值。进一步来讲，左值为Lvalue，其实L代表Location，表示在内存中可以寻址，可以给它赋值（常量const类型也可以寻址，但是不能赋值），Rvalue中的R代表Read，就是可以知道它的值。例如：
int a=3;
a在内存中有地址，而3没有，但是可以read到它的值。
3=4;
这个是错误的，因为3的内存中没有地址，不能当作左值。
下面这个语句不容易出错
a++=3;
这个语句编译通不过的，原因在于a++是先使用a的值，再给a加1。实现如下：
{

    int tmp=a;

   a=a+;

    return tmp;

}

++a是右值。

++a=3;
这个是正确的，++a的实现如下：
{

   a=a+;

   return &a;

}

显然++a的效率高。

左值符号&和右值符号&&

左值的声明符号为&，右值的声明符号为&&。在C++中，临时对象不能作为左值，但是可以作为常量引用const &
#include<iostream>

void print_lvalue(int& i)//左值

{

    std::cout << "Lvalue:" << i << std::endl;

}

void print_rvalue(int&& i)//右值

{

    std::cout << "Rvalue:" << i << std::endl;

}  

int main()

{

    int i = ;

    print_lvalue(i);

    print_rvalue();

    //print_lvalue(1)会出错

    //print_lvalue(const int& i)可以使用print_lvalue(1)

   return ;

}

C++11中的move

有时候我们希望把左值当作右值来使用，例如一个变量的值，不再使用了，希望把它的值转移出去，C++11中的std::move就为我们提供了将左值引用转为右值引用的方法。
#include<iostream>

void print_value(int& i)//左值

{

    std::cout << "Lvalue:" << i << std::endl;

}

void print_value(int&& i)//右值

{

    std::cout << "Rvalue:" << i << std::endl;

}

int main()

{

    int i = ;

    print_value(i);

    print_value(std::move(i));

    return ;

}

最长用的交换函数

void swap(T& a, T& b)

{

    T tmp = std::move(a);

    a = std::move(b);

    b = std::move(tmp);

}

避免了3次拷贝。

精确值传递

std::forward主要用于模板编程中，值传递的问题。可以推测参数是左值引用还是右值引用，精确传递值。
std::move和std::forward是C++0x中新增的标准库函数，分别用于实现移动语义和完美转发。

 下面让我们分析一下这两个函数在gcc4.6中的具体实现。

预备知识

.引用折叠规则：

X& + & => X&

 X&& + & => X&

 X& + && => X&

 X&& + && => X&&

.函数模板参数推导规则（右值引用参数部分）：

 当函数模板的模板参数为T而函数形参为T&&（右值引用）时适用本规则。

 若实参为左值 U& ，则模板参数 T 应推导为引用类型 U& 。

 （根据引用折叠规则， U& + && => U&， 而T&& ≡ U&，故T ≡ U& ）

 若实参为右值 U&& ，则模板参数 T 应推导为非引用类型 U 。

 （根据引用折叠规则， U或U&& + && => U&&， 而T&& ≡ U&&，故T ≡ U或U&&，这里强制规定T ≡ U ）

.std::remove_reference为C++0x标准库中的元函数，其功能为去除类型中的引用。

std::remove_reference<U&>::type ≡ U

 std::remove_reference<U&&>::type ≡ U

 std::remove_reference<U>::type ≡ U

.以下语法形式将把表达式 t 转换为T类型的右值（准确的说是无名右值引用，是右值的一种）

static_cast<T&&>(t)

.无名的右值引用是右值

 具名的右值引用是左值。

.注：本文中 ≡ 含义为“即，等价于“。

std::move

函数功能

std::move(t) 负责将表达式 t 转换为右值，使用这一转换意味着你不再关心 t 的内容，它可以通过被移动（窃取）来解决移动语意问题。

 源码与测试代码

[cpp] view plain copy print?

.template<typename _Tp>

.  inline typename std::remove_reference<_Tp>::type&&

.  move(_Tp&& __t)

.  { return static_cast<typename std::remove_reference<_Tp>::type&&>(__t); }  

[cpp] view plain copy print?

.#include<iostream>

.using namespace std;

.

.struct X {};

.

.int main()

.{

.    X a;

.    X&& b = move(a);

.    X&& c = move(X());

.}  

代码说明

.测试代码第9行用X类型的左值 a 来测试move函数，根据标准X类型的右值引用 b 只能绑定X类型的右值，所以 move(a) 的返回值必然是X类型的右值。

.测试代码第10行用X类型的右值 X() 来测试move函数，根据标准X类型的右值引用 c 只能绑定X类型的右值，所以 move(X()) 的返回值必然是X类型的右值。

.首先我们来分析 move(a) 这种用左值参数来调用move函数的情况。

.模拟单步调用来到源码第3行，_Tp&& ≡ X&, __t  ≡ a 。

.根据函数模板参数推导规则，_Tp&& ≡ X& 可推出 _Tp ≡ X& 。

.typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。

typename std::remove_reference<_Tp>::type&& ≡ X&& 。

.再次单步调用进入move函数实体所在的源码第4行。

.static_cast<typename std::remove_reference<_Tp>::type&&>(__t) ≡ static_cast<X&&>(a)

.根据标准 static_cast<X&&>(a) 将把左值 a 转换为X类型的无名右值引用。

.然后我们再来分析 move(X()) 这种用右值参数来调用move函数的情况。

.模拟单步调用来到源码第3行，_Tp&& ≡ X&&, __t  ≡ X() 。

.根据函数模板参数推导规则，_Tp&& ≡ X&& 可推出 _Tp ≡ X 。

.typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。

typename std::remove_reference<_Tp>::type&& ≡ X&& 。

.再次单步调用进入move函数实体所在的源码第4行。

.static_cast<typename std::remove_reference<_Tp>::type&&>(__t) ≡ static_cast<X&&>(X())

.根据标准 static_cast<X&&>(X()) 将把右值 X() 转换为X类型的无名右值引用。

.由9和16可知源码中std::move函数的具体实现符合标准，

 因为无论用左值a还是右值X()做参数来调用std::move函数，

 该实现都将返回无名的右值引用（右值的一种），符合标准中该函数的定义。

std::forward

函数功能

std::forward<T>(u) 有两个参数：T 与 u。当T为左值引用类型时，u将被转换为T类型的左值，否则u将被转换为T类型右值。如此定义std::forward是为了在使用右值引用参数的函数模板中解决参数的完美转发问题。

 源码与测试代码

[cpp] view plain copy print?

./// forward (as per N3143)

.template<typename _Tp>

.  inline _Tp&&

.  forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type& __t)

.  { return static_cast<_Tp&&>(__t); }

.

.template<typename _Tp>

.  inline _Tp&&

.  forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type&& __t)

.  {

.    static_assert(!std::is_lvalue_reference<_Tp>::value, "template argument"

.    " substituting _Tp is an lvalue reference type");

.    return static_cast<_Tp&&>(__t);

.  }  

[cpp] view plain copy print?

.#include<iostream>

.using namespace std;

.

.struct X {};

.void inner(const X&) {cout << "inner(const X&)" << endl;}

.void inner(X&&) {cout << "inner(X&&)" << endl;}

.template<typename T>

.void outer(T&& t) {inner(forward<T>(t));}

.

.int main()

.{

.    X a;

.    outer(a);

.    outer(X());

.    inner(forward<X>(X()));

.}

.//inner(const X&)

.//inner(X&&)

.//inner(X&&)  

代码说明

.测试代码第13行用X类型的左值 a 来测试forward函数，程序输出表明 outer(a) 调用的是 inner(const X&) 版本，从而证明函数模板outer调用forward函数在将参数左值 a 转发给了inner函数时，成功地保留了参数 a 的左值属性。

.测试代码第14行用X类型的右值 X() 来测试forward函数，程序输出表明 outer(X()) 调用的是 inner(X&&) 版本，从而证明函数模板outer调用forward函数在将参数右值 X() 转发给了inner函数时，成功地保留了参数 X() 的右值属性。

.首先我们来分析 outer(a) 这种调用forward函数转发左值参数的情况。

.模拟单步调用来到测试代码第8行，T&& ≡ X&, t  ≡ a 。

.根据函数模板参数推导规则，T&& ≡ X& 可推出 T ≡ X& 。

.forward<T>(t) ≡ forward<X&>(t)，其中 t 为指向 a 的左值引用。

.再次单步调用进入forward函数实体所在的源码第4行或第9行。

.先尝试匹配源码第4行的forward函数，_Tp ≡ X& 。

.typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。

typename std::remove_reference<_Tp>::type& ≡ X& 。

.形参 __t  与实参 t 类型相同，因此函数匹配成功。

.再尝试匹配源码第9行的forward函数，_Tp ≡ X& 。

.typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。

typename std::remove_reference<_Tp>::type&& ≡ X&& 。

.形参 __t  与实参 t 类型不同，因此函数匹配失败。

.由10与13可知7单步调用实际进入的是源码第4行的forward函数。

.static_cast<_Tp&&>(__t) ≡ static_cast<X&>(t) ≡ a。

.inner(forward<T>(t)) ≡ inner(static_cast<X&>(t)) ≡ inner(a) 。

.outer(a) ≡ inner(forward<T>(t)) ≡ inner(a)

再次单步调用将进入测试代码第5行的inner(const X&) 版本，左值参数转发成功。

.然后我们来分析 outer(X()) 这种调用forward函数转发右值参数的情况。

.模拟单步调用来到测试代码第8行，T&& ≡ X&&, t  ≡ X() 。

.根据函数模板参数推导规则，T&& ≡ X&& 可推出 T ≡ X 。

.forward<T>(t) ≡ forward<X>(t)，其中 t 为指向 X() 的右值引用。

.再次单步调用进入forward函数实体所在的源码第4行或第9行。

.先尝试匹配源码第4行的forward函数，_Tp ≡ X 。

.typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。

typename std::remove_reference<_Tp>::type& ≡ X& 。

.形参 __t  与实参 t 类型相同，因此函数匹配成功。

.再尝试匹配源码第9行的forward函数，_Tp ≡ X 。

.typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。

typename std::remove_reference<_Tp>::type&& ≡ X&& 。

.形参 __t  与实参 t 类型不同，因此函数匹配失败。

.由25与28可知22单步调用实际进入的仍然是源码第4行的forward函数。

.static_cast<_Tp&&>(__t) ≡ static_cast<X&&>(t) ≡ X()。

.inner(forward<T>(t)) ≡ inner(static_cast<X&&>(t))  ≡ inner(X())。

.outer(X()) ≡ inner(forward<T>(t)) ≡ inner(X())

再次单步调用将进入测试代码第6行的inner(X&&) 版本，右值参数转发成功。

.由17和32可知源码中std::forward函数的具体实现符合标准，

 因为无论用左值a还是右值X()做参数来调用带有右值引用参数的函数模板outer，

 只要在outer函数内使用std::forward函数转发参数，

 就能保留参数的左右值属性，从而实现了函数模板参数的完美转发。

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