C++11 右值引用和移动语义

前言

因为工作室要求写技术博客记录学习到的知识点,自己之前是没有写过博客的,所以现在用一篇介绍右值引用和移动语义的博客作为博客的第一篇,可能对于移动语义的理解还不够深刻,但可以作为一个简单的介绍博客

右值引用

要理解好右值引用首先要知道什么是左值?什么是右值?

1.左值是表达式结束后依然存在的持久化对象
2.右值则是表达式结束时就不再存在的值

便捷区别方法:对表达式取地址,如果能,是左值,否则是右值

int a=10; 
int b=5; //这是一个左值
&(a+b);    //这是一个右值

//区别方法
&a       //因为a是个左值,可以对其取地址
&(a+b)  //因为(a+b)是个临时变量,是右值,并不能对其取地址

下面先来对左值引用作一些介绍

由于修饰符不同可以分为非常量左值和常量左值

1.非常量左值只能绑定左值

2.常量左值是个奇葩,因为他不仅可以绑定左值(非常量和常量),也能够绑定右值

为什么它能够绑定右值呢?

在于他们绑定了右值后,延长了右值的生命周期,使之像一个左值一样,但有一个东西是只能读不能改

int a=10;       
int c=10;//非常量左值
const int b=5;  //常量左值

int& d=a; //可以
int& d=a+c; //报错 a+b是右值
int& d=b;   //报错 b是常量左值

const int& e=a;
const int& e=b;
const int& e=a+c; 
//上面的三条式子都不会报错,因为常量左值都可以绑定

在c++11中添加了右值引用的概念,用&&来表示右值引用

原本右值是个临时变量,表达式结束时其生命也就结束了,但可以通过右值引用使其被存储到特定的位置,且可以获得该位置的地址

换句说:左值引用可以比作一个拥有姓名的人给其取个别名,而右值引用则是一个没有姓名的人然后给其取个别名

int a=10;
int b=10;
int&& c=a+b; //一个简单的右值引用

为什么要引入右值引用呢?目的之一则是下面要讲到的移动语义的实现

移动语义是实际文件还留在原来的地方,而只修改记录.

用下面一个useless类来说明(具体实现就不说了)

#ifndef __useless_h
#define __useless_h

#include<iostream>

class useless
{
public:
    useless();
    useless(int k);
    useless(int k, char ch);
    useless(const useless& f);  //复制构造函数
    useless(useless&& f);       //移动构造函数
    ~useless(); 
    useless operator+(const useless& f) const;
    void showdata() const;
private:
    int n; 
    char* pc;
    static int ct;   //统计对象的数量
    void showobject() const;
};


#endif // __useless_h

#include "useless.h"

int useless::ct = 0;
useless::useless()
{
    ++ct;
    n = 0;
    pc = nullptr;
    std::cout << "default construct called;number of object: " << ct << std::endl;
    showobject();
}

useless::useless(int k): n(k)
{
    ++ct;
    std::cout << "int construct called;number of objects: " << ct << std::endl;
    pc = new char[n];
    showobject();
}

useless::useless(int k, char ch):n(k)
{
    ++ct;
    std::cout << "int char construct called;number of objects: " << ct << std::endl;
    pc = new char[n];
    for (int i = 0; i < n; i++)
        pc[i] = ch;
    showobject();
}

useless::useless(const useless & f):n(f.n)
{
    ++ct;
    std::cout << "copy const called;number of objects: " << ct << std::endl;
    pc = new char[n];
    for (int i = 0; i < n; i++)
        pc[i] = f.pc[i];
    showobject();
}

useless::useless(useless && f):n(f.n)
{
    ++ct;
    std::cout << " move construct called;number of objects: " << ct << std::endl;
    pc = f.pc;
    f.pc = nullptr; //give old object nothing in return 
    f.n = 0;
    showobject();
}

useless::~useless()
{
    std::cout << "destructor called;number of objects: " << --ct << std::endl;
    std::cout << "deleted object:\n";
    showobject();
    delete[] pc;
}

useless useless::operator+(const useless & f) const
{
    std::cout << "entering operator+()\n";
    useless temp = useless(n + f.n);
    for (int i = 0; i < n; i++)
        temp.pc[i] = pc[i];
    for (int i = n; i < temp.n; i++)
        temp.pc[i] = f.pc[i - n];
    std::cout << "temp object:\n";
    std::cout << "leaving operator+()\n";
    return temp;
}

void useless::showdata() const
{
    if (n==0)
    {
        std::cout << "(object empty)";
    }
    else
    {
        for (int i = 0; i < n; i++)
            std::cout << pc[i];
    }
    std::cout << std::endl;
}

void useless::showobject() const
{
    std::cout << "number of elements: " << n;
    std::cout << " data address: " << (void *)pc << std::endl;
}

#include"useless.h"
#include<utility>

int main()
{
    {
        useless one(10, 'x');
        useless two = one;  //深拷贝
        useless three(20, '0');
        useless four(one + three);  //operator+()
        std::cout << "object one: ";
        one.showdata();
        std::cout << "object two: ";
        two.showdata();
        std::cout << "object three: ";
        three.showdata();
        std::cout << "object four: ";
        four.showdata();
    }
    system("pause");
    return 0;
}

首先看下复制构造函数

useless two = one;把one对象(左值)赋给了two,在这期间会调用复制构造函数useless(const useless& f)来实现复制;

再来看看useless four(one + three)这条语句,one+three会调用operatoe+()来产出了一个右值,这个右值作为参数调用了useless(useless && f)这个构造函数,

我们称其为移动构造函数(你没有提供的话系统会提供一个默认的移动构造函数)

现在再深入探究下一些函数的具体实现:

一丶首先把移动构造函数的声明和定义注释掉

1.首先参数one+three里面调用一个构造函数创建一个temp对象,然后通过一个复制构造函数来创建一个临时复制对象,然后指向了这个对象(即函数返回了这个临时对象);接下来,删除这个temp对象;

useless useless::operator+(const useless & f) const
{
    ......
    useless temp = useless(n + f.n);
    for (int i = 0; i < n; i++)
        temp.pc[i] = pc[i];
    for (int i = n; i < temp.n; i++)
        temp.pc[i] = f.pc[i - n];
    ......
    return temp;
}

2.因为常量左值引用可以绑定右值,所以会调用下面这个函数

useless::useless(const useless & f):n(f.n)
{
    .....
    pc = new char[n];
    for (int i = 0; i < n; i++)
        pc[i] = f.pc[i];
    .......
}

所以会新建一个four对象.使其使用这个临时对象中的内存,接下来删除了这个临时对象

这个表明了总共创建了三个对象

这里可以调用了复制构造函数,但其只调用了一次

因为编译器会优化返回值,然后在编译时加上-fno-elide-constructors选项即可关闭返回值优化
在gcc编译时关闭这个返回值可以看到其调用了两次复制构造函数

二丶把移动构造函数的声明和定义的注释取消掉

1.这个one+three同样调用了operator+()这个函数

2.(1)因为参数one+three是个临时对象,是个右值,所以编译器会先调用移动构造函数而不是复制构造函数

(2)与复制构造函数不同的是,他直接指向了这个临时对象,然后把原来指向这个临时对象的指针改为nullptr(相当于一个对象的所有权的转移,把临时对象的所以权夺了过来)

(3)把原来指向临时对象的指针改为nullptr是让这个对象析构不会使原来的内存被释放掉,不然这个移动构造函数没有意义

这样便省去了复制构造函数中创建一个临时对象的过程,总共创建了两个对象;

可以看到调用了一次移动构造函数,而一些无关的工作量减少

而移动语义目的之一就是消除这些额外的工作.

一旦工作量变大,就会导致一些额外的资源申请和释放的操作;使用移动语义就既能够够节省资源,也能够节省时间

当然除了移动构造函数,还有移动赋值函数(在这里就不讲了,大致原理是一样的

std::move()

std::move()在头文件utility中

有时候左值是一个局部变量,即表明他也是有临时的生命周期,那么能不能也是调用移动语义而不是复制语义呢?

c++11提供了std::move()来解决这个问题,他可以把左值强制转化为右值引用,使左值可用于移动语义中

useless four(one);  //调用复制构造函数
useless four(std::move(one));  //调用移动构造函数 

如果我们没有提供移动构造函数,std::move()会失效但不会报错,因为会调用复制构造函数(const &)

可能有待续写......