C++ 【右值引用】极致的内存管理

一、C++中的左值与右值引用

在传统的C++语法中，我们使用的是左值引用，而C++11引入了右值引用的概念。为便于理解，接下来我们会将之前学习的引用称为左值引用。无论是左值引用还是右值引用，它们本质上都是为对象取别名。

左值与右值的区别

在讲解右值引用之前，我们需要首先了解左值与右值的区别。

左值

左值是表示数据的表达式，我们可以对其取地址并且赋值。左值能够出现在赋值操作符（=）的左边，而右值则不能。

例如，下面的代码片段中：

int i = 0;
int* p = &i;
double d = 3.14;

变量 i、p 和 d 都是左值。首先，它们出现在赋值操作符 = 的左边；其次，我们可以获取它们的地址，并修改它们的值。

对于常量变量来说：

const int ci = 0;
int const* cp = &ci;
const double cd = 3.14;

ci、cp 和 cd 也是左值，尽管它们具有 const 属性，使得它们的值不可修改，但它们仍然出现在 = 的左边并且可以取地址。

因此，左值最显著的特征是可以取地址，但不一定能被修改。

右值引用是C++11中引入的一种新语法，它使得程序能够更高效地处理临时对象。为了更好地理解右值引用，我们需要先了解什么是右值。

右值

右值也是一种表示数据的表达式，例如字面常量、表达式的返回值、函数的返回值等。右值可以出现在赋值操作符（=）的右边，但不能出现在左边。与左值不同，右值不能取地址。

以下是一个例子：

double func() {
    return 3.14;
}

int x = 10;
int y = 20;
int z = x + y;
double d = func();

在这段代码中，10、20、x + y 和 func() 都是右值。具体来说，10 和 20 是字面常量，x + y 是表达式的返回值，而 func() 是函数的返回值。右值的显著特点是它们不能取地址。

通过对比，左值和右值的最大区别就是：左值可以取地址，而右值不能。

右值引用语法

首先，我们来回顾一下左值引用的语法：

int i = 0;
int* p = nullptr;

int& ri = i;
int*& rp = p;

在左值引用的语法中，我们只需在原变量类型后加一个 &，便能创建一个左值引用。这时，新变量相当于原变量的别名，可以通过引用传递参数、返回值等，从而减少不必要的拷贝。

然而，左值引用不能引用右值。例如：

int& ri = 0;       // 错误，右值不能绑定到左值引用
int*& rp = nullptr; // 错误
double& rd = 3.14;  // 错误

以上代码尝试将右值绑定到左值引用，但编译时会报错。左值引用语法是 type&，而右值引用的语法是 type&&。

接下来，我们尝试使用右值引用来引用右值：

int&& ri = 0;
int*&& rp = nullptr;
double&& rd = 3.14;

在这种情况下，右值引用成功地引用了右值。

二、左值引用与右值引用的使用

现在我们已经了解了右值引用的语法，但接下来我们需要考虑以下两个问题：

1. 左值引用能引用右值吗？
2. 右值引用能引用左值吗？

虽然之前我们已经展示过左值引用不能直接引用右值，但这里我们要进一步深入讨论和澄清一些特殊情况。

左值引用能引用右值吗？

回顾之前的测试，我们知道左值引用不能直接引用右值。例如：

int& i = 5;  // 错误

这段代码是非法的，因为右值（5）不能绑定到左值引用。这正是引入右值引用语法的原因之一。

但是，const 左值引用可以引用右值：

const int& i = 5;  // 合法

为什么会出现这种情况呢？因为常量引用具有常性，无法修改引用的对象。当我们使用 const 引用时，C++允许我们引用右值。这样，我们就能将一个右值绑定到一个常量左值引用上，避免了修改常量的风险。

右值引用能引用左值吗？

接下来讨论右值引用能否引用左值。右值引用通常用于绑定到右值，但它并不直接支持左值。然而，在某些特殊情况下，右值引用也能绑定到左值：

int x = 10;
int&& rx = std::move(x);  // 合法

这里，我们使用 std::move(x) 将 x 转换为右值，从而允许将它绑定到右值引用。注意，std::move 并不真的是移动数据，它只是将对象转换为右值引用类型。因此，rx 实际上是绑定到左值 x 上的，但通过 std::move 强制它成为右值引用。

• 左值引用不能直接引用右值，但const 左值引用可以引用右值。
• 右值引用不能直接引用左值，但通过 std::move 可以将左值转换为右值，从而绑定到右值引用。

三、右值引用的底层原理

右值引用的引入为C++带来了更高效的资源管理和转移操作。接下来，我们将深入了解右值引用的底层工作原理，主要分为两种情况：右值引用常量和右值引用经过 move 转换后的左值。

右值引用常量

当右值引用绑定到一个常量时，引用并不会直接指向常量区的数据，而是将数据拷贝到栈区，然后让引用指向栈区中的数据。为什么这样做呢？因为如果右值引用直接指向常量区中的数据，修改该数据将会导致程序出现未定义行为。

看看这段代码：

int&& r = 5;  // 右值引用常量
r = 10;        // 修改数据

在这个过程中，我们使用右值引用 r 绑定到了常量 5，然后通过右值引用将其值修改为 10。但如果 r 直接指向常量区中的 5，修改它就会导致常量区中的数据被不合法地改变，这是不允许的。

因此，右值引用常量时的真实操作是：将常量区中的数据拷贝到栈区，并且引用指向栈区的数据，这样就避免了对常量区数据的非法修改。通过这个方式，右值引用常量的值可以被修改，而不会影响原始常量区的数据。

同样，const 左值引用引用常量时也是类似的，数据会先被拷贝到栈区，然后引用指向栈区的数据，但无法修改这个数据。

总结：

• 右值引用常量：会把常量区的数据拷贝到栈区，然后引用指向栈区中的数据，且该数据可以修改。
• const 左值引用常量：会把常量区的数据拷贝到栈区，然后引用指向栈区中的数据，但该数据是常量，不能修改。

右值引用绑定 move 后的左值

当右值引用绑定到经过 move 处理的左值时，它不会复制数据，而是直接指向原始的左值。这种情况下，右值引用实际上就成了左值的别名。

举个例子：

int i = 5;
int&& rri = std::move(i); // move 转换左值为右值

rri = 10;

std::cout << i << std::endl;  // 输出 10
std::cout << rri << std::endl; // 输出 10

在这个例子中，rri 和 i 共享同一块内存，因此修改 rri 也会影响 i 的值。这里，rri 就相当于是 i 的别名。使用 std::move 将左值转换为右值，使得右值引用可以引用并操作该左值。

这是否与左值引用非常相似呢？的确如此。当右值引用绑定到经过 move 处理的左值时，它与直接使用左值引用没有任何区别。

为什么我们需要右值引用？

左值引用在C++中引入后，解决了许多拷贝的问题，比如传递参数时，参数的不必要拷贝。

来看以下代码：

string add_string(string& s1, string& s2)
{
    string s = s1 + s2;
    return s;
}

int main()
{
    string str;
    string hello = "Hello";
    string world = "world";
    
    str = add_string(hello, world);

    return 0;
}

在这个例子中，add_string 函数使用引用传递两个 string 参数，从而避免了两个 string 对象的拷贝，提升了效率。然而，这并没有解决一些额外的性能问题，比如当返回值需要被拷贝时，仍然会消耗不必要的资源。

左值引用解决的拷贝问题

左值引用在传参和返回值中解决了一部分拷贝构造的问题。比如，当函数返回一个局部变量时，如果使用左值引用来返回，避免了不必要的拷贝构造。

考虑以下代码：

string& say_hello()
{
    static string s = "hello world";
    return s;
}

int main()
{
    string str1;
    str1 = say_hello();
    return 0;
}

在这个例子中，函数 say_hello 返回一个 string 类型的引用，指向静态变量 s。因为 s 是静态变量，它在函数调用结束后仍然存在，所以我们可以直接返回它的引用。这样，当 str1 接收返回值时，我们不需要创建临时变量进行拷贝构造，而是直接通过引用赋值，从而节省了拷贝构造的开销。

右值引用解决的拷贝问题

然而，当我们返回一个局部变量时，即使使用左值引用，也无法避免拷贝构造的问题。因为局部变量在函数结束时会被销毁，必须要返回一个临时值。来看以下代码：

string say_hello()
{
    string s = "hello world";
    return s;
}

int main()
{
    string str;
    str = say_hello();
    return 0;
}

在这段代码中，say_hello 返回的是局部变量 s。由于 s 是局部变量，它在函数结束时会被销毁，因此返回 s 时会先拷贝构造一个临时对象，然后临时对象再被拷贝构造到 str。这导致了两次拷贝构造。

为了避免这种情况，C++引入了右值引用。右值引用允许我们将局部变量的资源"转移"到外部，从而避免不必要的拷贝。

我们可以使用 std::move 将 s 转换为右值引用，这样在返回时就不会进行拷贝构造，而是直接将资源转移给外部对象。看看这个改进的版本：

string say_hello()
{
    string s = "hello world";
    return std::move(s);  // 转移资源
}

int main()
{
    string str;
    str = say_hello();  // 只进行一次资源转移
    return 0;
}

这里，std::move(s) 会将 s 转换为右值引用，从而实现资源的转移，而不需要进行拷贝构造。通过右值引用，我们避免了拷贝的开销，并且提高了程序的性能。

右值引用不仅仅是一种语法，它本质上是一个“标记”，标识一个对象的资源可以被移动。它允许我们在返回值时，避免不必要的资源拷贝，直接转移对象的所有权。

这就是右值引用存在的意义。当我们需要返回一个对象时，使用右值引用可以避免不必要的拷贝，将对象的所有权直接转移到目标位置，从而提升性能。

• 右值引用常量：拷贝常量数据到栈区，引用指向栈区数据，且该数据可以修改。
• const 左值引用常量：拷贝常量数据到栈区，引用指向栈区数据，但数据不可修改。
• 右值引用move后的左值：右值引用直接指向原左值，修改右值引用也会影响原左值。
• 右值引用的意义：避免不必要的拷贝，提高程序效率，特别是在处理临时对象和返回值时。

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我们先来探讨一下什么情况下会产生可以被右值引用的左值。

1. 左值被move后
   当一个左值被move后，它就可以被右值引用。这表明程序员明确表示该左值的资源可以被迁移，从而赋予了它右值的特性。

2. 将亡值
   C++会把即将离开作用域的非引用类型的返回值视为右值，这种类型的右值也被称为将亡值。

回顾一个典型场景：函数内部的局部变量s已经创建好了字符串"hello world"，但s马上就要离开函数作用域并被销毁。为了避免资源浪费，C++允许将s的资源直接迁移给外部变量，而不是进行不必要的拷贝。

这种情况下，变量s即将作用离开域并被销毁，但它内部的"hello world"是我们需要的。

因此，C++将即将离开作用域的非引用类型返回值视为右值，这种右值的核心含义是：这个变量的资源可以被迁移走。这句话非常重要！

C++引入move属性的原因是，有些变量的生命周期还很长，C++不敢擅自迁移它们的资源。但当程序员调用move时，就明确表示了可以迁移该变量的资源。这相当于程序员亲自许可，将左值的资源迁移走。

四、移动语义

那么，右值是如何迁移资源的呢？这就涉及到右值引用的移动语义。

为了更好地理解移动语义，我们需要首先了解右值引用在实现资源转移时的重要性。右值引用不仅仅是为了优化性能，它还引入了一种新的语义，使得程序能够高效地管理资源，尤其是在避免不必要的拷贝构造时。

我们先定义一个简单的 mystring 类，模拟字符串的管理，并引入构造、拷贝构造、赋值操作等功能。

class mystring
{
public:
    // 构造函数
    mystring(const char* str = "")
    {
        _str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }

    // 析构函数
    ~mystring()
    {
        delete[] _str;
    }

    // 赋值重载
    mystring& operator=(const mystring& s)
    {
        cout << "赋值重载" << endl;
        return *this;
    }

    // 拷贝构造
    mystring(const mystring& s)
    {
        cout << "拷贝构造" << endl;
    }

private:
    char* _str = nullptr;
};

在这个类中，_str 是一个指向字符数组的指针，负责存储字符串。当我们通过拷贝构造和赋值操作创建新对象时，资源会被复制到新对象中。

移动构造与移动赋值

在没有移动构造的情况下，返回一个 mystring 对象会触发多次拷贝构造。在下面的例子中，我们演示了这种情况：

mystring get_string()
{
    mystring str("hello");
    return str; // 发生拷贝构造
}

int main()
{
    mystring s2 = get_string();  // 发生两次拷贝构造
    return 0;
}

在这个过程中，str 是局部变量，当 get_string 函数返回时，str 会先被拷贝构造到一个临时变量，然后再拷贝构造到 s2。如果字符串有大量字符，这种做法会非常低效，因为每次都需要进行拷贝。

为了避免这种效率问题，我们可以通过移动构造来实现资源的转移，避免不必要的拷贝：

class mystring
{
public:
    // 移动构造
    mystring(mystring&& s)
    {
        cout << "移动构造" << endl;
        std::swap(_str, s._str);  // 交换指针
    }

    // 拷贝构造
    mystring(const mystring& s)
    {
        cout << "拷贝构造" << endl;
    }
};

在这个新的移动构造函数中，我们使用 std::swap 交换 s 和当前对象 _str 的指针，实际上就是转移 s 所拥有的资源，而不是进行数据拷贝。这样，返回值 str 的资源就可以直接转移给临时对象。

为什么会调用移动构造？

当 get_string 函数返回时，str 是一个将亡值（临时变量），它具有右值属性。由于右值属性的存在，str 会调用移动构造，而不是拷贝构造。随后，s2 会通过移动构造直接获得 str 的资源，而不会再进行拷贝。

流程如下：

1. get_string 返回时，str 是一个右值，触发移动构造，返回临时变量。
2. 临时变量通过移动构造转移资源给 s2。

通过这种方式，我们避免了两次拷贝构造的开销，只有一次资源转移。

移动赋值

除了移动构造，还有移动赋值操作，它允许我们在对象已经存在的情况下，将另一个对象的资源转移到当前对象中：

// 移动赋值重载
mystring& operator=(mystring&& s)
{
    std::swap(_str, s._str);
    return *this;
}

右值引用的本质

右值引用不仅仅是语法上的变化，它的引入实现了移动语义。移动指的是资源的转移，而语义则表示这是有意进行资源转移的行为。

• 移动构造：通过交换指针而不是复制数据，实现资源的转移。
• 移动赋值：通过交换指针而不是复制数据，将一个对象的资源转移给另一个对象。

右值引用和移动构造的出现，解决了对象返回时的拷贝问题。C++11之后，类的成员函数数量从6个增加到了8个，新增了移动构造和移动赋值重载，它们为C++带来了极大的性能提升，尤其是在处理大量数据或复杂对象时。

STL容器的移动构造与移动赋值

在C++11中，STL容器也更新了移动构造和移动赋值操作。这是为了能够利用移动语义提高性能，尤其是在处理临时对象时，避免不必要的深拷贝。

C++11的vector构造函数：

vector(vector&& v);  // 移动构造

C++11的vector赋值操作符：

vector& operator=(vector&& v);  // 移动赋值重载

这些移动构造和赋值操作使得STL容器能够直接转移数据的所有权，而不是进行昂贵的拷贝操作，从而显著提高了性能。

引用折叠

引用折叠是C++11引入的一个非常重要的概念，它与万能引用（T&&）密切相关，能够使得代码更加简洁和高效。

在下面的代码中，我们定义了两个重载的func函数，一个接受右值引用，另一个接受常量左值引用：

template <class T>
void func(T&& t)
{
    cout << "T&& 右值引用" << endl;
}

template <class T>
void func(const T& t)
{
    cout << "const T& const左值引用" << endl;
}

int main()
{
    int a = 5;
    func(a);        // 左值
    func(move(a));  // 右值

    return 0;
}

程序输出：

T&& 右值引用
T&& 右值引用

为什么左值也会调用右值引用的版本？

这正是因为C++的引用折叠规则。T&&在模板推导时会根据传入的参数类型推导为适当的类型，即便传入的是左值引用。C++11中的引用折叠规则为：

T& && 会推导为 T&。
T&& && 会推导为 T&&。

因此，T&&可以“折叠”为左值或右值引用，而不需要写多个模板函数重载。

C++11引入的引用折叠特性，使得我们可以编写更简洁、统一的模板函数来处理左值引用和右值引用。通过一个模板函数，我们可以同时处理左值和右值，而无需显式编写多个重载版本。

以下是使用引用折叠的一种方式：

template <class T>
void func(T&& t)
{
    // 处理t
}

int a = 5;
func(a);        // 左值
func(move(a));  // 右值

当调用func(a)时，a是一个左值，而当调用func(move(a))时，move(a)是一个右值。在这两种情况下，C++通过引用折叠规则来决定如何处理T&&参数。

• 第一次调用 func(a)：
  T 被推导为 int&，因此 T&& 会折叠为 int& &&，最终类型为 int&，表示 t 是左值引用。

• 第二次调用 func(move(a))：
  T 被推导为 int&&，因此 T&& 会折叠为 int&& &&，最终类型为 int&&，表示 t 是右值引用。

这种引用折叠机制能够统一处理左值和右值，从而避免我们需要显式为每个情况写出不同的函数重载。实际上，如果我们使用一个模板，就能生成原本需要四个重载的情况：

void func(int&);         // 左值引用
void func(const int&);   // 常量左值引用
void func(int&&);        // 右值引用
void func(const int&&);  // 常量右值引用

通过引用折叠规则，我们只需要一个模板函数就能统一处理这四种情况。这样大大减少了代码的冗余，并使得代码更加简洁和灵活。

完美转发

在调用其他函数时，我们希望传递的参数保持其原本的左值或右值属性。完美转发是通过std::forward实现的，它确保了参数在传递时保持其原始的值类别（左值或右值）。std::forward只有在需要转发一个万能引用时才会派上用场。

考虑以下代码：

void func2(int& x)
{
    cout << "func2 左值引用" << endl;
}

void func2(int&& x)
{
    cout << "func2 右值引用" << endl;
}

template <class T>
void fuc1(T&& t)
{
    func2(t);  // 这里会调用哪个函数呢？
}

int main()
{
    int i = 5;
    fuc1(i);        // 传递左值
    fuc1(move(i));  // 传递右值

    return 0;
}

输出结果：

func2 左值引用
func2 右值引用

为什么第一次调用 fuc1(i) 时，调用了左值版本，而 fuc1(move(i)) 调用时，调用了右值版本呢？

这是因为在调用fuc1时，T&&会根据传入的参数类型推导出对应的类型：

• fuc1(i) 时，T 是 int&，所以 T&& 会折叠成 int& &，根据折叠规则变为 int&，即左值引用类型。
• fuc1(move(i)) 时，T 是 int&&，所以 T&& 会折叠成 int&& &&，根据折叠规则变为 int&&，即右值引用类型。

这就是引用折叠的规则。

完美转发

为了确保在转发参数时保留原始的左值或右值属性，我们需要使用std::forward，如下所示：

template <class T>
void fuc1(T&& t)
{
    func2(std::forward<T>(t));  // 保留t的原始值属性
}

通过使用std::forward<T>(t)，t会保持其原始的值类别，确保func2接受正确的左值或右值。

1. 引用折叠：C++11中的引用折叠使得模板函数能够统一处理左值引用和右值引用，简化了代码。通过折叠规则，T&&可以变成不同类型的引用（左值引用或右值引用）。

2. 完美转发：通过std::forward，我们可以将传入的参数保持其原始的值类别，避免不必要的拷贝或错误的类型转化。

3. 移动语义与STL容器：STL容器也支持移动构造和移动赋值操作，从而使得容器能够高效地处理临时对象，避免不必要的拷贝，提高性能。

这两项功能（引用折叠和完美转发）使得C++在处理对象时更加灵活和高效，尤其是在涉及到泛型编程和资源管理时。