C++ 11中引入的一個非常重要的概念就是右值引用。理解右值引用是學習“移動語義”(move semantics)的基礎。而要理解右值引用,就必須先區分左值與右值。
對左值和右值的一個最常見的誤解是:等號左邊的就是左值,等號右邊的就是右值。左值和右值都是針對表達式而言的,左值是指表達式結束後依然存在的持久對象,右值是指表達式結束時就不再存在的臨時對象。一個區分左值與右值的便捷方法是:看能不能對表達式取地址,如果能,則爲左值,否則爲右值。下面給出一些例子來進行說明。
int a = 10;
int b = 20;
int *pFlag = &a;
vector<int> vctTemp;
vctTemp.push_back(1);
string str1 = "hello ";
string str2 = "world";
const int &m = 1;
請問,a,b, a+b, a++, ++a, pFlag, *pFlag, vctTemp[0], 100, string("hello"), str1, str1+str2, m分別是左值還是右值?
a和b都是持久對象(可以對其取地址),是左值;
a+b是臨時對象(不可以對其取地址),是右值;
a++是先取出持久對象a的一份拷貝,再使持久對象a的值加1,最後返回那份拷貝,而那份拷貝是臨時對象(不可以對其取地址),故其是右值;
++a則是使持久對象a的值加1,並返回那個持久對象a本身(可以對其取地址),故其是左值;
pFlag和*pFlag都是持久對象(可以對其取地址),是左值;
vctTemp[0]調用了重載的[]操作符,而[]操作符返回的是一個int &,爲持久對象(可以對其取地址),是左值;
100和string("hello")是臨時對象(不可以對其取地址),是右值;
str1是持久對象(可以對其取地址),是左值;
str1+str2是調用了+操作符,而+操作符返回的是一個string(不可以對其取地址),故其爲右值;
m是一個常量引用,引用到一個右值,但引用本身是一個持久對象(可以對其取地址),爲左值。
區分清楚了左值與右值,我們再來看看左值引用。左值引用根據其修飾符的不同,可以分爲非常量左值引用和常量左值引用。
非常量左值引用只能綁定到非常量左值,不能綁定到常量左值、非常量右值和常量右值。如果允許綁定到常量左值和常量右值,則非常量左值引用可以用於修改常量左值和常量右值,這明顯違反了其常量的含義。如果允許綁定到非常量右值,則會導致非常危險的情況出現,因爲非常量右值是一個臨時對象,非常量左值引用可能會使用一個已經被銷燬了的臨時對象。
常量左值引用可以綁定到所有類型的值,包括非常量左值、常量左值、非常量右值和常量右值。
可以看出,使用左值引用時,我們無法區分出綁定的是否是非常量右值的情況。那麼,爲什麼要對非常量右值進行區分呢,區分出來了又有什麼好處呢?這就牽涉到C++中一個著名的性能問題——拷貝臨時對象。考慮下面的代碼:
vector<int> GetAllScores()
{
vector<int> vctTemp;
vctTemp.push_back(90);
vctTemp.push_back(95);
return vctTemp;
}
當使用vector<int> vctScore = GetAllScores()進行初始化時,實際上調用了三次構造函數。儘管有些編譯器可以採用RVO(Return Value Optimization)來進行優化,但優化工作只在某些特定條件下才能進行。可以看到,上面很普通的一個函數調用,由於存在臨時對象的拷貝,導致了額外的兩次拷貝構造函數和析構函數的開銷。當然,我們也可以修改函數的形式爲void GetAllScores(vector<int> &vctScore),但這並不一定就是我們需要的形式。另外,考慮下面字符串的連接操作:
string s1("hello");
string s = s1 + "a" + "b" + "c" + "d" + "e";
在對s進行初始化時,會產生大量的臨時對象,並涉及到大量字符串的拷貝操作,這顯然會影響程序的效率和性能。怎麼解決這個問題呢?如果我們能確定某個值是一個非常量右值(或者是一個以後不會再使用的左值),則我們在進行臨時對象的拷貝時,可以不用拷貝實際的數據,而只是“竊取”指向實際數據的指針(類似於STL中的auto_ptr,會轉移所有權)。C++ 11中引入的右值引用正好可用於標識一個非常量右值。C++ 11中用&表示左值引用,用&&表示右值引用,如:
int &&a = 10;
右值引用根據其修飾符的不同,也可以分爲非常量右值引用和常量右值引用。
非常量右值引用只能綁定到非常量右值,不能綁定到非常量左值、常量左值和常量右值(VS2010 beta版中可以綁定到非常量左值和常量左值,但正式版中爲了安全起見,已不允許)。如果允許綁定到非常量左值,則可能會錯誤地竊取一個持久對象的數據,而這是非常危險的;如果允許綁定到常量左值和常量右值,則非常量右值引用可以用於修改常量左值和常量右值,這明顯違反了其常量的含義。
常量右值引用可以綁定到非常量右值和常量右值,不能綁定到非常量左值和常量左值(理由同上)。
有了右值引用的概念,我們就可以用它來實現下面的CMyString類。
class CMyString
{
public:
// 構造函數
CMyString(const char *pszSrc = NULL)
{
cout << "CMyString(const char *pszSrc = NULL)" << endl;
if (pszSrc == NULL)
{
m_pData = new char[1];
*m_pData = '\0';
}
else
{
m_pData = new char[strlen(pszSrc)+1];
strcpy(m_pData, pszSrc);
}
}
// 拷貝構造函數
CMyString(const CMyString &s)
{
cout << "CMyString(const CMyString &s)" << endl;
m_pData = new char[strlen(s.m_pData)+1];
strcpy(m_pData, s.m_pData);
}
// move構造函數
CMyString(CMyString &&s)
{
cout << "CMyString(CMyString &&s)" << endl;
m_pData = s.m_pData;
s.m_pData = NULL;
}
// 析構函數
~CMyString()
{
cout << "~CMyString()" << endl;
delete [] m_pData;
m_pData = NULL;
}
// 拷貝賦值函數
CMyString &operator =(const CMyString &s)
{
cout << "CMyString &operator =(const CMyString &s)" << endl;
if (this != &s)
{
delete [] m_pData;
m_pData = new char[strlen(s.m_pData)+1];
strcpy(m_pData, s.m_pData);
}
return *this;
}
// move賦值函數
CMyString &operator =(CMyString &&s)
{
cout << "CMyString &operator =(CMyString &&s)" << endl;
if (this != &s)
{
delete [] m_pData;
m_pData = s.m_pData;
s.m_pData = NULL;
}
return *this;
}
private:
char *m_pData;
};
可以看到,上面我們添加了move版本的構造函數和賦值函數。那麼,添加了move版本後,對類的自動生成規則有什麼影響呢?唯一的影響就是,如果提供了move版本的構造函數,則不會生成默認的構造函數。另外,編譯器永遠不會自動生成move版本的構造函數和賦值函數,它們需要你手動顯式地添加。
當添加了move版本的構造函數和賦值函數的重載形式後,某一個函數調用應當使用哪一個重載版本呢?下面是按照判決的優先級列出的3條規則:
1、常量值只能綁定到常量引用上,不能綁定到非常量引用上。
2、左值優先綁定到左值引用上,右值優先綁定到右值引用上。
3、非常量值優先綁定到非常量引用上。
當給構造函數或賦值函數傳入一個非常量右值時,依據上面給出的判決規則,可以得出會調用move版本的構造函數或賦值函數。而在move版本的構造函數或賦值函數內部,都是直接“移動”了其內部數據的指針(因爲它是非常量右值,是一個臨時對象,移動了其內部數據的指針不會導致任何問題,它馬上就要被銷燬了,我們只是重複利用了其內存),這樣就省去了拷貝數據的大量開銷。
一個需要注意的地方是,拷貝構造函數可以通過直接調用*this = s來實現,但move構造函數卻不能。這是因爲在move構造函數中,s雖然是一個非常量右值引用,但其本身卻是一個左值(是持久對象,可以對其取地址),因此調用*this = s時,會使用拷貝賦值函數而不是move賦值函數,而這已與move構造函數的語義不相符。要使語義正確,我們需要將左值綁定到非常量右值引用上,C++ 11提供了move函數來實現這種轉換,因此我們可以修改爲*this = move(s),這樣move構造函數就會調用move賦值函數。
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