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現代C++之右值語意
在現代C++的眾多特性中，右值語意(std::move和std::forward)大概是最神奇也最難懂的特性之一了，本文簡要介紹了現代C++中右值語意特性的原理和使用，
1 什么是左值，什么是右值?
int a = 0; // a是左值，0是右值
int b = rand(); // b是左值，rand()是右值
直觀理解：左值在等號左邊，右值在等號右邊
深入理解：左值有名稱，可根據左值獲取其記憶體地址，而右值沒有名稱，不能根據右值獲取地址，
2 參考疊加規則
左值參考A&和右值參考A&&可相互疊加, 疊加規則如下：
A& + A& = A&
A& + A&& = A&
A&& + A& = A&
A&& + A&& = A&&
舉例說明，在模板函式void foo(T&& x)中：
- 如果
T是int&型別,T&&為int&，x為左值語意 - 如果
T是int&&型別,T&&為int&&,x為右值語意
也就是說，不管輸入引數x為左值還是右值，都能傳入函式foo，區別在于兩種情況下，編譯器推匯出模板引數T的型別不一樣，
3 std::move
3.1 What?
在C++11中引入了std::move函式，用于實作移動語意，它用于將臨時變數(也有可能是左值)的內容直接移動給被賦值的左值物件，
3.2 Why?
知道了std::move是干什么的，他能給我們的搬磚作業帶來哪些好處呢？ 舉例說明：
如果類X包含一個指向某資源的指標，在左值語意下，類X的復制建構式定義如下：
X::X()
{
// 申請資源(指標表示)
}
X::X(const X& other)
{
// ...
// 銷毀資源
// 克隆other中的資源
// ...
}
X::~X()
{
// 銷毀資源
}
假設應用代碼如下，其中，物件tmp被賦給a之后，便不再使用，
X tmp;
// ...經過一系列初始化...
X a = tmp;
在上面的代碼中，執行步驟:
- 先執行一次默認建構式(默認構造tmp物件)
- 再執行一次復制建構式(復制構造a物件)
- 退出作用域時執行解構式(析構tmp和a物件)
從資源的視角來看，上述代碼中共執行了2次資源申請和3次資源釋放，
那么問題來了，既然物件tmp只是一個臨時物件，在執行X a = tmp;時，物件a能否將tmp的資源'偷'過來，直接為我所用，而不影響原來的功能？ 答案是可以，
X::X(const X& other)
{
// 使用std::swap交換this和other的資源
}
通過'偷'物件tmp的資源，減少了資源申請和釋放的開銷，而std::swap交換指標代價極小，可忽略不計，
3.3 How?
到現在為止，我們明白了std::move將要達到的效果，那么它究竟是怎么實作的呢？
template<class T>
typename remove_reference<T>::type&&
std::move(T&& a) noexcept
{
typedef typename remove_reference<T>::type&& RvalRef;
return static_cast<RvalRef>(a);
}
不管輸入引數為左值還是右值，都被remove_reference去掉其參考屬性，RvalRef為右值型別，最侄訓傳型別為右值參考，
3.4 Example
在實際使用中，一般將臨時變數作為std::move的輸入引數，并將回傳值傳入接受右值型別的函式中，方便其'偷取'臨時變數中的資源，需要注意的是，臨時變數被'偷'了之后，便不能對其進行讀寫，否則會產生未定義行為，
#include <utility>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
void foo(const std::string& n)
{
std::cout << "lvalue" << std::endl;
}
void foo(std::string&& n)
{
std::cout << "rvalue" << std::endl;
}
void bar()
{
foo("hello"); // rvalue
std::string a = "world";
foo(a); // lvalue
foo(std::move(a)); // rvalue
}
int main()
{
std::vector<std::string> a = {"hello", "world"};
std::vector<std::string> b;
b.push_back("hello"); // 開銷：string復制構造
b.push_back(std::move(a[1])); // 開銷：string移動構造(將臨時變數a[1]中的指標偷過來)
std::cout << "bsize: " << b.size() << std::endl;
for (std::string& x: b)
std::cout << x << std::endl;
bar();
return 0;
}
4 std::forward
4.1 What?
std::forward用于實作完美轉發，那么什么是完美轉發呢？完美轉發實作了引數在傳遞程序中保持其值屬性的功能，即若是左值，則傳遞之后仍然是左值，若是右值，則傳遞之后仍然是右值，
簡單來說，std::move用于將左值或右值物件強轉成右值語意，而std::forward用于保持左值物件的左值語意和右值物件的右值語意，
4.2 Why?
#include <utility>
#include <iostream>
void bar(const int& x)
{
std::cout << "lvalue" << std::endl;
}
void bar(int&& x)
{
std::cout << "rvalue" << std::endl;
}
template <typename T>
void foo(T&& x)
{
bar(x);
}
int main()
{
int x = 10;
foo(x); // 輸出：lvalue
foo(10); // 輸出：lvalue
return 0;
}
執行以上代碼會發現，foo(x)和foo(10)都會輸出lvalue，foo(x)輸出lvalue可以理解，因為x是左值嘛，但是10是右值，為啥foo(10)也輸出lvalue呢？
這是因為10只是作為函式foo的右值引數，但是在foo內部，10被帶入了形參x，而x是一個有名字的變數，即右值，因此foo中bar(x)還是輸出lvalue，
那么問題來了，如果我們想在foo函式內部保持x的右值語意，該怎么做呢？std::forward便派上了用場，
只需改寫foo函式：
template <typename T>
void foo(T&& x)
{
bar(std::forward<T>(x));
}
4.3 How?
std::forward聽起來有點神奇，那么它到底是如何實作的呢？
template<typename T, typename Arg>
shared_ptr<T> factory(Arg&& arg)
{
return shared_ptr<T>(new T(std::forward<Arg>(arg)));
}
template<class S>
S&& forward(typename remove_reference<S>::type& a) noexcept
{
return static_cast<S&&>(a);
}
X x;
factory<A>(x);
如果factory的輸入引數是一個左值，那么Arg = X&，根據疊加規則，std::forward<Arg> = X&，因此，在這種情況下，std::forward<Arg>(arg)仍然是左值，
相反，如果factory輸入引數是一個右值，那么Arg = X，std::forward<Arg> = X，這種情況下，std::forward<Arg>(arg)是一個右值，
恰好達到了保留左值or右值語意的效果！
4.4 Example
直接上代碼，如果前面都懂了，相信這段代碼的輸出結果也能猜個八九不離十了，
#include <utility>
#include <iostream>
void overloaded(const int& x)
{
std::cout << "[lvalue]" << std::endl;
}
void overloaded(int&& x)
{
std::cout << "[rvalue]" << std::endl;
}
template <class T> void fn(T&& x)
{
overloaded(x);
overloaded(std::forward<T>(x));
}
int main()
{
int i = 10;
overloaded(std::forward<int>(i));
overloaded(std::forward<int&>(i));
overloaded(std::forward<int&&>(i));
fn(i);
fn(std::move(i));
return 0;
}
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標籤：C++
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