C++11 右值引用和转移语义

新特性的目的

右值引用 (Rvalue Referene) 是 C++ 新标准 (C++11, 11 代表 2011 年 ) 中引入的新特性 , 它实现了转移语义 (Move Sementics) 和精确传递 (Perfect Forwarding)。它的主要目的有两个方面：

消除两个对象交互时不必要的对象拷贝，节省运算存储资源，提高效率。
能够更简洁明确地定义泛型函数。

左值与右值的定义

C++( 包括 C) 中所有的表达式和变量要么是左值，要么是右值。通俗的左值的定义就是非临时对象，那些可以在多条语句中使用的对象。所有的变量都满足这个定义，在多条代码中都可以使用，都是左值。右值是指临时的对象，它们只在当前的语句中有效。

请看下列示例 :

1.简单的赋值语句

int i = 0;

在这条语句中，i 是左值，0 是临时值，就是右值。在下面的代码中，i 可以被引用，0 就不可以了。立即数都是右值。

右值也可以出现在赋值表达式的左边，但是不能作为赋值的对象，因为右值只在当前语句有效，赋值没有意义。如：

((i>0) ? i : j) = 1;

在这个例子中，0 作为右值出现在了”=”的左边。但是赋值对象是 i 或者 j，都是左值。

在 C++11 之前，右值是不能被引用的，最大限度就是用常量引用绑定一个右值，如 :

const int &a = 1;

在这种情况下，右值不能被修改的。但是实际上右值是可以被修改的，如 :

T().set().get();

T 是一个类，set 是一个函数为 T 中的一个变量赋值，get 用来取出这个变量的值。在这句中，T() 生成一个临时对象，就是右值，set() 修改了变量的值，也就修改了这个右值。

既然右值可以被修改，那么就可以实现右值引用。右值引用能够方便地解决实际工程中的问题，实现非常有吸引力的解决方案。

左值和右值的语法符号

左值的声明符号为”&”，为了和左值区分，右值的声明符号为”&&”。

示例程序 :

void process_value(int& i) {
    std::cout << "LValue processed: " << i << std::endl;
}

void process_value(int&& i) {
    std::cout << "RValue processed: " << i << std::endl;
}

int main()
{
    int a = 0;
    process_value(a);
    process_value(1);
}

运行结果 :

 LValue processed: 0 
 RValue processed: 1

process_value 函数被重载，分别接受左值和右值，由输出结果可以看出，临时对象是作为右值处理的。

但是如果临时对象通过一个接受右值的函数传递给另一个函数时，就会变成左值，因为这个临时对象在传递过程中，变成了命名对象。

示例程序 :

void process_value(int& i) {
    std::cout << "LValue processed: " << i << std::endl;
}

void process_value(int&& i) {
    std::cout << "RValue processed: " << i << std::endl;
}

void forward_value(int&& i) {
    process_value(i);
}

int main()
{
    int a = 0;
    process_value(a);
    process_value(1);
    forward_value(2);
}

运行结果 :

 LValue processed: 0 
 RValue processed: 1 
 LValue processed: 2

虽然 2 这个立即数在函数 forward_value 接收时是右值，但到了 process_value 接收时，变成了左值。

转移语义的定义

右值引用是用来支持转移语义的，转移语义可以将资源 ( 堆，系统对象等 ) 从一个对象转移到另一个对象，这样能够减少不必要的临时对象的创建、拷贝以及销毁，能够大幅度提高 C++ 应用程序的性能。临时对象的维护 ( 创建和销毁 ) 对性能有严重影响。

转移语义是和拷贝语义相对的，可以类比文件的剪切与拷贝，当我们将文件从一个目录拷贝到另一个目录时，速度比剪切慢很多。

通过转移语义，临时对象中的资源能够转移其它的对象里。

在现有的 C++ 机制中，我们可以定义拷贝构造函数和赋值函数。要实现转移语义，需要定义转移构造函数，还可以定义转移赋值操作符。对于右值的拷贝和赋值会调用转移构造函数和转移赋值操作符。

如果转移构造函数和转移拷贝操作符没有定义，那么就遵循现有的机制，拷贝构造函数和赋值操作符会被调用。

普通的函数和操作符也可以利用右值引用操作符实现转移语义。

实现转移构造函数和转移赋值函数

以一个简单的 string 类为示例，实现拷贝构造函数和拷贝赋值操作符。

示例程序 :

#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <vector>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
using namespace std;

class MyString {
private:
    char* _data;
    size_t   _len;
    void _init_data(const char *s) {
        _data = new char[_len+1];
        memcpy(_data, s, _len);
        _data[_len] = '\0';
    }
public:
    MyString() {
        _data = NULL;
        _len = 0;
    }

    MyString(const char* p) {
        _len = strlen (p);
        _init_data(p);
    }

    MyString(const MyString& str) {
        _len = str._len;
        _init_data(str._data);
        std::cout << "Copy Constructor is called! source: " << str._data << std::endl;
    }

    MyString& operator=(const MyString& str) {
        if (this != &str) {
            _len = str._len;
            _init_data(str._data);
        }
        std::cout << "Copy Assignment is called! source: " << str._data << std::endl;
        return *this;
    }
    
    virtual ~MyString() {
        if (_data)
            free(_data);
    }
};

int main()
{
    MyString a;
    a = MyString("Hello");
    std::vector<MyString> vec;
    vec.push_back(MyString("World"));
}

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