C++ - 右值引用 和 移动拷贝

 右值引用

 我们先来了解什么是左值，什么是右值：

左值 和 有值 区分

 首先，左值 和 右值 并不是完全意味着 在 "=" 左边的就是 左值 ； 在 "=" 右边的就是右值。这是不一定的。只能说，在左边的大概率是 左值，右边的可能是左值，也可能是右值：

int a = 1;
int b = a;

如上述所示， a 是 左值，b 也是左值。

左值的概念：

左值是一个表示数据的表达式(如变量名或解引用的指针)，我们可以获取它的地址，一般可以对它赋值，左值可以出现赋值符号的左边，右值不能出现在赋值符号左边。定义时const修饰符后的左值，不能给他赋值，但是可以取它的地址。左值引用就是给左值的引用，给左值取别名。

 也就是说，可以获取地址的值，一般都是左值；

但是有一个例外，const 修饰的变量，不能对这个变量进行修改，但是可以对这个变量取地址，所以，这个变量还是左值，如下所示;

const int a = 1;
a += 1; // 编译报错

 如下所示，都是左值：

// 以下的p、b、c、*p都是左值
int* p = new int(0);
int b = 1;
const int c = 2;
// 以下几个是对上面左值的左值引用
int*& rp = p;
int& rb = b;
const int& rc = c;
int& pvalue = *p;

右值的概念：

右值也是一个表示数据的表达式，如：字面常量、表达式返回值，函数返回值(这个不能是左值引用返回)等等，右值可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现出现在赋值符号的左边，右值不能取地址。右值引用就是对右值的引用，给右值取别名。
 

 如下面例子都是右值：
 

double x = 1.1, y = 2.2;
// 以下几个都是常见的右值
10;
x + y;
fmin(x, y);

上述的 10；

x+y 这个 x+y 表达式有一个返回值，这个返回值使用一个临时变量存储的，这里指的有值是 这个临时变量； 

还有 fmin（x , y）函数当中的右值，是 函数当中传值返回的临时对象，

他们都有一个特点，都不能取地址。

 如果强行取地址的话，就会被报错（必须是左值类似报错）：

 在了解 左右值 之后，我们来看 "xxxxxx"； 这个常量字符串是左值还是右值？

 其实  常量字符串 是左值，就算我们如下面一种方式书写：

"xxxxxx";

 其实还是右值，虽然我们不能对这个常量字符串进行修改，但是我们能取到 这个字符串的地址：

const char* p = "xxxxxx";
cout << &("xxxxxx") >> endl;

按照上述的 p 这个指针的理解，我们还是可以取到这个 字符串的 首字符地址。所以还是左值。

同样的 &p[2] 我们取出 常量字符串当中的 第三个 字符，还是可以取地址，说明，取出的 常量字符串的第三个 字符，还是左值。只是不能修改而已。

 总结：可以取地址的就是左值；不能去取地址的就是右值；

左值引用 和 有值引用 区分

 引用是取别名，左值引用 就是 对 左值取别名；右值引用 就是对 有值取别名。

// 左值引用
int a = 10;
int& pa = a;// 右值引用
int&& p5 = 10;
double x = 1.1, y = 2.2;double& r6 = x + y; // 编译报错double&& r7 = x + y; // 编译通过

如上所示： 类型& 是左值引用；而 类型&& 就是右值引用。

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 在上述例子当中的左值引用是没有办法给右值引用取别名的，但是如果是  const 的左值引用就可以给 右值 取别名：

const int& p = 10; // 编译通过

所以，在之前写模版函数的时候，我们经常这样写：
 

template<class T>
void func(const T& x)
{
````````
}

如果函数的参数是 模版的引用的话，都是建议加上 const 修饰的，因为加上const 的话，这个模版参数既可以接收 左值引用，有可以接收 右值引用。

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那么右值引用，是否可以引用左值呢？

答案是可以。

但是也是不能直接 引用，加上 const 也不行，必须加上 move（）函数，move一下：
 

int a = 1;
int&& p1 = a; // 编译报错
int&& p2 = move(a);  // 编译通过

也就是说右值引用，可以引用 move 之后的左值，但是 右值 move 之后，虽然在上述例子当中没有什么问题，可正常使用，但是在一些情况下会出现问题，具体看下述说明。

左值引用的价值

 在函数的参数传参，和 函数的返回值上，如果使用的是同类型的参数传参或者返回的话，是要构建一个临时变量来暂时存储要传入或者返回的值，然后再把 临时变量，拷贝给形参，或者是用于接收函数返回值的变量。如果是内置类型就还好，但如果是自定义的类型，一个对象需要的空间不小的话，那么拷贝就会造成不小的消耗。其中的消耗有空间上的，还有，如果是深拷贝的话，可能还有动态开辟当中的空间当中的值需要赋值，这就有时间上的消耗了。

那么在上述的过程当中肯定就会发生消耗，所以，我们可以使用左值引用的方式，使得传入的是实参（本对象），就是实参本身，所以是不用进行拷贝，函数当中的形参使用就是 传入实参本身。返回值也是一样，返回的是函数当中的 变量。

需要注意的是：如果返回的是，作用域在函数当中的变量，那么，当函数执行结束，这个变量也就跟着销毁了，如果我们返回的是这个 变量的引用的话，就会是野引用，和野指针的后果是一样。

int& func1(const int& x)
{return x;
}int main()
{int x = 1;int ret = func(x);    return 0;
}

当然，左值引用带来很多的好处，但是也有左值引用做不到的事情：

就是上述的 函数的当中的变量，无法用 左值引用的方式来返回，在没有右值引用的情况下，我们只能直接传参返回，也就是要拷贝一个临时变量，然后赋值给外部的接收变量。

但是，我们知道，这样的拷贝返回代价不小，但是左值引用又不能解决，因为 函数当中的 变量已经销毁了，就算我们拿到 这个变量的地址，那么其中的数据也是非法的，而且，这个变量（对象）在销毁的时候会调用析构函数，那么我们拿到的这个块空间也是非法的。而且，如果我们在外部用一个 变量来接收的话，那么按道理，黑丝要拷贝两次的：

第一次是在函数栈帧销毁之前，就会要拷贝的对象，拷贝到临时对象当中，然后再把临时对象拷贝给我们接收的变量，但是有些编译器会对此处进行优化，直接就拿 函数当中要返回的对象直接对 外部 接受的变量进行拷贝，但是不是所有的编译器都会这样做的。

而且上述的优化是在一句语句当中的 连续的拷贝构造，如下所示：

string func()
{string str;cin << str;return str;
}int main()
{string ret = func();retrun 0;
}

如果拷贝构造不是连续的，就不能进行优化了：
 

string func()
{string str;cin << str;return str;
}int main()
{string ret;// ·······// 一些操作ret = func();retrun 0;
}

上述情况就不能进行优化了。

 左/右值引用 两者构成函数重载

 如下函数所示，是构成函数重载的：

void func(int& x)
{cout << "void func(int& x)" << endl;
}void func(int&& x)
{cout << "void func(inr&& x)" << endl;
}int main()
{int x = 1;int y = 2;func(x);   // 左值引用func(x + y); // 右值引用return 0;
}

输出：
 

void func(int& x)
void func(int&& x)

发现重载关系已经匹配上了。

我们上述也说过，const 的 左值引用也是可以接收 右值的，那么 const 的左值引用 和 右值引用其实也是可以构成函数重载的：
 

void func(const int& x)
{cout << "void func(int& x)" << endl;
}void func(int&& x)
{cout << "void func(inr&& x)" << endl;
}int main()
{int x = 1;int y = 2;func(x);   // 左值引用func(x + y); // 右值引用return 0;
}

输出：
 

void func(int&& x)
void func(int& x)

发现，分别传入左右值引用，都是可以分别用重载函数接受的。

因为 const 的 左值引用，既可以接收左值引用，又可以接收 右值引用，如果上述例子，如果没有右值引用重载函数，也是可以接收的：

void func(const int& x)
{cout << "void func(int& x)" << endl;
}int main()
{int x = 1;int y = 2;func(x);   // 左值引用func(x + y); // 右值引用return 0;
}

输出：

void func(int& x)
void func(int& x)

而发生上述的 const 的左值引用 和 右值引用 调用两个重载函数的情况，就是编译器在匹配重载函数时候的选择，如果在重载函数当中有多个函数都可以接收 当前传入的参数，那么，编译器会选择一个最适合的重载函数进行调用，也就是实参和形参的参数 最符合的重载函数。

 有右值引用的版本就会走跟匹配的 右值引用的版本。

右值引用的价值 - 移动拷贝 - 移动构造

我们看到，上述在函数当中返回一个对象，那么我们不能使用左值引用，不然会发生野引用；如果不使用 引用返回，直接还用 传值返回的话，我们肯定是要用一个变量来接收的，那么在函数返回值之前，也就是在函数栈帧销毁之前，会先深拷贝（如果是需要深拷贝的对象）一份临时对象，然后在把临时对象拷贝给 我们用于接收的变量上，相当与是要深拷贝两次。

而且，我们发现：
内置类型的右值，就是纯右值；而 自定义类型的右值，是 将亡值。

 如上述所示，func（）返回的是一个临时变量（对象），这个临时对象的作用域和 匿名对象是一样的，出了函数，临时对象就会销毁了。所以，func（）函数的返回值本质上就是一个右值当中的将亡值，因为 func（）的返回对象只有 ret = func(); 这一行，在下一行，这个临时对象就会被销毁。

在内置类型当中使用的 操作符本质上是 调用运算符重载函数，比如 string 当中的 对象 s1 + s2 ，那么两个 string 类型的对象相加，实际上是调用 了 operator+() 这个函数，还有像 to_string 一样也是用 调用函数，那么，这两种方式调用函数，使用传值返回都是会构造一个临时对象返回。

上述说明了 左/右值引用作为参数的函数，可以构成函数重载。

那么对于 operator=（）这个函数，我们就可以写一个右值版本的，在这个版本当中，使用现代写法，既然 func（）当中的临时变量出了函数是要销毁的，那么，就像直接使用 swap（）函数把 临时对象当中的 成员信息都交换给 ret，那么 在临时对象当中的 成员数据就复制给 ret，那么 在临时变量被编译器销毁的时候，就把 原本在 ret 当中的成员和 动态开辟的空降给析构了。

而 ret 也成功的拿到了 临时变量当中的信息，没有进行第二次的深拷贝操作。

 我们把上述的这种拷贝方式成为移动拷贝。

 例如在 string 当中的 operator=（）函数实现：

string& operator=(string&& s)
{swap(s);return *this;
}

那么在外部使用的时候：
 

string ret = func();

因为 func（） 的返回值是右值，所以就会调用上述，函数参数类型是右值的函数，就使用现在写法，直接把 s 当中的成员信息拷贝给 当前对象（其中肯定有 string 当中字符串的指针，直接交换指针（浅拷贝）即可，那么交换之后，之前需要拷贝的字符串 （s）当中的字符就由当前对象的字符串指针所维护了，接着 s 出了自己的作用域，就会把 之前在 ret 当中的空间析构掉）

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右值引用不是像左值引用一样，直接是这个变量（对象）的别名，而是该拷贝的还是得拷贝，但是，向上述一样的多次拷贝就不用了，拷贝一次就够用了，不用再进行多余的拷贝了。 

 上述提到 现代写法，其实还有传统写法，两种方法在在 string 当中其实都差不多，但是在上述右值引用当中就有大作用，具体可以看 下篇 对 string 的 operator=（）重载运用符函数的讲解：
C++-string类的模拟实现_chihiro1122的博客-CSDN博客

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像上述的右值引用加 现代写法（也就是 移动拷贝），不仅仅可以用于 operator=（）重载运算符函数，还可以用于 构造函数，此时就叫做移动构造了

我们还可以写一个 本对象类型的右值引用 的重载构造函数，再去其中也可以使用 现代写法（例如string 当中的本对象类型的右值引用 的重载构造函数）：

string (string&& s):_str(nullptr)
{swap(s);
}

上述也是使用 swap （）函数交换了 s 对象 和 当前对象当中的成员数据。

像上述的 当中的本对象类型的右值引用 的重载构造函数（拷贝函数） 是适用于下面这种情况的：
 

 如果上述的代码编译器不进行优化， func（）函数当中的 str 会先深拷贝一个 临时对象出来，因为重载了 operator=（）函数，所以赋值给 ret1 是一个浅拷贝。那么，现在这种情况就是和最开始，编译器优化之后的结果了。

但是，如果编译器进行优化的（编译器的第一步优化），那么在上述两步就会合成一步，首先，合二为一的出来的一步，肯定不会是 移动构造的那一步，而是深拷贝（使用拷贝构造函数）的那一步。因为 str 又是一个左值，所以我们在 构造函数当中写的一定构造不起作用。

但是，上述场景太多了，编译器又对此进行优化（编译器第二步优化），从上述 func（）函数来看，str 虽然是左值，但是 他是 符合将亡值的特征的，也就是出了 bit:string ret1 = func() 这个行代码之后，str 就会被析构。编译器会把 str 识别成 右值 当中的 将亡值。

所以，这个地方，在实现了上述 operator=（） 和 构造函数的 右值重载函数之后，就只会调用一次 移动拷贝（在函数栈帧销毁之前，就会做拷贝）：

 在这里的话，本来是要拷贝两次的，但是现在一次都不用拷贝了，直接把 str 浅拷贝给了 ret1。 

 注意：在外部函数 如上述的 func 函数，返回值不能是 string&，因为是string 才能达到上述的优化效果，如果是 string& 就是  左值引用了，返回 string& 就不会做上述的优化的事情，因为返回的引用，只有传值返回才有上述的优化。str 会正常销毁，销毁之后返回的就是野指针了。

 注意：上述的第二次优化，是因为我们函数返回的类型是传值返回，才有把 str 从原本的左值是被成右值，这一步优化。如果不进行第二次优化，是临时对象做的返回值。

（上述的第二次优化是所有的编译器都支持的，因为是C++对编译器实现的规定，如果编译器不这样进行优化的，右值引用带来的优化相当于砍掉了半条腿）

 可以理解为，是编译器在这个地方做的特殊处理。

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还有就是之前，编译器第一次优化都无法实现的，在实现 operator=（）的右值引用函数之后，就被右值引用所优化了：

 在 C++98 时候，没有右值引用，就不能使用上述方式来优化，直接传值返回的话代价就太大了，所以，一般是使用函数传参，传入引用的方式来解决的：

写过 C 的力扣题的都知道 这样写 是比较麻烦的。 

move（）函数的浅谈

 由之前对 右值引用 引用 左值，使用用move（）函数来实现的：
 

string ret = "xxxxxxxxxx";
string&& p1 = move(ret);

 但是 下述方式不能 用到右值引用：
 

string ret1("xxxxxxxxxxxx");
move(ret1);
string copy1 = ret1;

 按照之前对 string当中 右值引用参数的 operator=（）运算符重载函数的介绍，那么上述如果 ret1被 move 修改为 右值引用的话，就会调用 右值引用参数的 operator=（）运算符重载函数。那么 copy1 就会继承 ret1 当中的各个数据，空间等等属性，而 ret1 就会被销毁。

但是，结果是并没有，就是原本的拷贝一份的 operator=（）运算符重载函数。ret1 并没有销毁。

但是 下述代码，copy1 就会继承 ret1 当中的各个数据，空间等等属性，而 ret1 就会被销毁：

string ret1("xxxxxxxxxxxx");
string copy1 = move(ret1);

 也就是说，move（）函数，不会修改到 ret1，也就是传入的参数，它只是返回一个 该参数的引用或者是指针，这个就是右值了，编译器就会识别为 右值，调用 右值引用参数的 operator=（）运算符重载函数。

右值引用使用场景

从上述例子我么可以发现右值引用基本上是用于 自定义类型的拷贝优化，对于内置类型，右值引用的优化不大，因为内置类型最大就是才几个字节 ，而自定义类型可能会很大，比如在 位图 和 布隆过滤器当中的存储就可以达到 几个 G。

总之就是内置类型，或者是体积都比较小的自定义类型，是没必要使用右值引用来优化的；比如 Date 日期类，其中 就 只有几个 变量 比如 _year   _day  _ month  ，除了这些变量，没有必要在动态开辟空间。那么对于  _year   _day  _ month  ，我使用 右值引用就是交换值，那么使用拷贝构造函数也是一样的值拷贝，那么右值引用写来有 什么意义呢？两这之前没有什么区别。

所以，对于浅拷贝的类，移动构造不要实现，没有什么需要转移的资源（比如堆空间），直接拷贝就行。比如其中有 10 个 int 类型的成员变量，就只是 40 个字节，直接拷贝就行了。传值返回代价也不大，所以 右值引用的构造函数也不用写。

右值引用主要使用在 深拷贝的类当中，也就是需要深拷贝的对象，那么才需要右值引用来提升效率。

还有一个场景，我们在上篇博客当中说过了，在 C++11 之后就把 STL 容器当中的 push_back 函数给升级了，支持了右值引用的版本，所以，当我们在使用 容器嵌套容器的时候，就可以用move（）函数强制右值引用，这样就可以使用移动构造，优化效率：

 就是在 链表 Node 结点的构造函数当中 ，有对 val 的初始化，此时的 val 的类型是 string 类型，此时就有了类的深拷贝了，如果不使用 移动拷贝，就会调用string的拷贝构造函数，就会进行一次深拷贝，所以，此时就有了 右值引用版本的 push_back （）不用拷贝构造，直接把 s2 的空间等等属性给 到Node 结点当中：

list<string> it;
it.push_back("1111111111")

上述这个例子也是可以引发右值引用来优化的。

虽然 "1111111111" 这个字符串是一个常量字符串，我们之前说过，常量字符串是左值，虽然他可以写成 "11111111111"; 这样形式，但是这个常量字符串可以取出地址，所以是左值。

那么就有疑问了，左值为什么会调用 右值引用的函数来优化呢？

因为 常量字符串不能直接用于构造一个 list 的结点，上述 list 的结点当中 _val 的类型是 string，C++支持 单参数的隐式类型转换，用常量字符串，构造了一个 string对象给 _val，而 构造出来的 Node 结点，在传入 push_back （）函数的话，就是右值了。

像上述的三种插入情况，如果没有优化的话，如果把调用函数给打印出来的话，就是 先调用 string 的构造函数，Node 当中的 _val 是一个 string，也是需要调用构造函数构造的，然后调用 string 的拷贝构造给 Node 当中的 _val ，然后在调用 Node 的构造函数：

 所以，有值解决的场景就是容器的插入接口，如果插入对象是右值，可以利用移动构造转移资源给数据结构当中的对象。可以减少深拷贝带来的消耗。 

不只是 push_back（）函数实现的有 右值引用的版本，每一个容器都实现了 insert（）函数的右值引用版本。