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详细说明C++ 中的左值、右值与移动语义

news 来源：原创 2025/5/1 5:32:21

1.左值 (lvalue) 与右值 (rvalue)

1.1 左值 (lvalue)

定义：具有持久身份、可以取地址的表达式。

特点：

有名称的变量或对象
可以出现在赋值语句的左侧
生命周期通常超出当前表达式
可以多次使用

示例：

int x = 10;     // x是左值
int* p = &x;    // 可以取地址
x = 20;         // 可以出现在赋值左侧
std::string s = "hello";  // s是左值

1.2 右值 (rvalue)

定义：临时对象或字面量，即将被销毁的值。

特点：

通常是临时对象或字面量
不能取地址
只能出现在赋值语句的右侧
生命周期通常仅限于当前表达式

示例：

int y = 10 + 20;   // 10+20的结果是右值
std::string("temp");  // 临时string对象是右值
int z = y;         // y是左值，但转换为右值使用

1.3 值类别扩展 (C++11)

C++11 引入了更精细的值类别划分：

       表达式/   \glvalue  rvalue/    \   /    \
lvalue   xvalue   prvalue

glvalue (generalized lvalue)：有身份的表达式
rvalue：可移动的表达式
xvalue (eXpiring value)：将亡值，可以被移动的资源
prvalue (pure rvalue)：纯右值，如字面量或临时对象

2.移动语义 (Move Semantics)

2.1 为什么需要移动语义？

传统拷贝语义在处理资源管理类对象时效率低下：

std::vector<int> createVector() 
{std::vector<int> v(1000000);  // 大vectorreturn v;  // 传统C++会进行深拷贝
}

移动语义允许"偷取"临时对象的资源，避免不必要的拷贝。

2.2 移动构造函数与移动赋值运算符

移动构造函数：

class MyString 
{
public:// 移动构造函数MyString(MyString&& other) noexcept : data(other.data), size(other.size) {other.data = nullptr;  // 使源对象处于有效但空的状态other.size = 0;}private:char* data;size_t size;
};

移动赋值运算符：

MyString& operator=(MyString&& other) noexcept 
{if (this != &other) {delete[] data;        // 释放当前资源data = other.data;    // 窃取资源size = other.size;other.data = nullptr; // 置空源对象other.size = 0;}return *this;
}

2.3 std::move

作用：将左值转换为右值引用，允许移动而非拷贝。

实现原理：

template <typename T>
typename std::remove_reference<T>::type&& move(T&& arg) 
{return static_cast<typename std::remove_reference<T>::type&&>(arg);
}

使用示例：

std::string str = "Hello";
std::string str2 = std::move(str); 
// str的资源被移动给str2，str现在为空

2.4 移动语义的应用场景

函数返回值优化 (RVO/NRVO)：

std::vector<int> createVector() 
{std::vector<int> v;// ...填充数据return v;  // 编译器会自动使用移动语义
}

容器操作：

std::vector<std::string> vec;
std::string s = "data";
vec.push_back(std::move(s));  // 移动而非拷贝

资源管理类：

std::unique_ptr<Resource> p1 = std::make_unique<Resource>();
std::unique_ptr<Resource> p2 = std::move(p1);  // 转移所有权

3.右值引用 (Rvalue Reference)

3.1 基本概念

语法：T&&，只能绑定到右值（临时对象）。

void process(std::string&& s) 
{// s是右值引用，可以安全地移动其资源std::string internal = std::move(s);
}process(std::string("temp"));  // 正确：绑定到右值
std::string str = "hello";
// process(str);  // 错误：不能绑定左值

3.2 与通用引用的区别

T&&在模板参数推导时可能是通用引用：

template <typename T>
void relay(T&& arg) 
{  // 可能是左值或右值引用// ...
}relay(10);      // T&& 绑定到右值
int x = 10;
relay(x);       // T&& 绑定到左值

4.移动语义的注意事项

被移动后的对象状态：

应处于有效但未定义的状态
通常应能安全析构和重新赋值

std::string s1 = "source";
std::string s2 = std::move(s1);
// s1现在为空，但可以安全地：
s1 = "new value";  // 重新赋值

noexcept保证：
- 移动操作通常应标记为noexcept
- 标准库容器在元素移动操作为noexcept时会优化
不要过度使用std::move：
- 对基本类型无意义
- 对已经移动的对象再次移动是未定义行为
- 在return语句中可能干扰RVO

5.完美转发与移动语义的结合

template <typename T, typename... Args>
std::unique_ptr<T> make_unique(Args&&... args) 
{return std::unique_ptr<T>(new T(std::forward<Args>(args)...));
}class Resource 
{
public:Resource(int x, const std::string& name);  // 可能接受左值或右值
};auto r = make_unique<Resource>(42, std::string("temp"));
// 完美转发保持参数的值类别

6.性能对比

操作	拷贝语义	移动语义
100万元素vector传递	深拷贝所有元素	仅拷贝3个指针(size, capacity, data指针)
大型字符串赋值	内存分配+数据复制	指针交换
容器重新分配	复制所有元素	移动所有元素(如果noexcept)