在 C++11 之前,如果我们要将某个函数返回的 vector 传给另一个函数,要么需要复制这个 vector ,要么需要传递指针。第一个方案需要拷贝数组,速度慢,第二个方案则需要记得手动释放内存,没有两全其美的方法。
然而在 C++11 之后,通过使用右值引用 (rvaule reference),我们可以同时克服两者的困哪,既不需要拷贝数组,也不需要手动释放内存。更令人欣喜的是,使用右值引用实现的智能指针可以使C++ 程序员完全不需要手动释放内存,从而在源头避免内存泄露。
因此,可以说右值引用是 C++11 最值得学习的新特性。
什么是右值引用
与普通的引用不同,右值引用通常引用的是临时对象。在表达式 (myint + 3) * 4
中,myint + 3
就生成了一个临时的 int 对象。在更复杂的表达式 MyClass(make_range(10))
中,make_range(10)
也生成了一个临时对象,这个临时对象在表达式完成后会被析构掉。这里我们假设 make_range 返回一个 vector 。
对于 MyClass 的构造函数,在 C++11 之前,我们有两种定义方法:
MyClass(const vector<int>& data); // 第一种方法
MyClass(vector<int> data); // 第二种方法
第一种方法的好处是避免内存拷贝,坏处是无法修改 data 第二种方法的好处是可以修改 data ,但是需要额外的内存拷贝。
借助右值引用,我们可以给出第三种定义:
MyClass(vector<int>&& data); // 第三种方法
与普通的左值引用 (lvalue reference)相比,右值引用需要在类型后使用两个 & 符号。
第三种方法声明 data 引用一个临时对象,而且可以修改它,因为没有 const 修饰符。如果我们将左值引用的 const 修饰符去掉,编译器就会报错。因为编译器不允许将临时对象绑定到非 const 的左值引用上。
因为左值引用和右值引用是两个不同的类型,我们可以使用函数重载 (overloading)让编译器自动选择正确的实现:
void func(MyClass&& obj) {} // 如果 obj 为临时对象,则使用右值引用版本
void func(const MyClass& obj) {} // 否则,使用左值引用版本
使用右值引用的构造函数和赋值函数
基于引用类型的重载最重要的用途是重载构造函数和赋值函数。相比于 C++11 之前的拷贝构造函数 (copy constructor) 和拷贝赋值函数 (copy assignment),使用右值引用可以定义移动构造函数 (move constructor)和移动赋值函数 (move assignment)。
当用临时对象构造新对象时,编译器会调用这个类的移动构造函数和移动赋值函数。因为我们知道传入的是临时对象,因此,我们可以选择将资源(比如内存块)从临时对象移动到新构造的对象中,而不是拷贝内存。
通过这样的方法,我们就节省了拷贝内存的时间。
以一个简单的数组类为例,我们可以这样实现(这里我们只列出移动构造函数和移动函数,而省略其他函数):
class Array {
public:
// 将数组从 other 移动到新对象中
Array(Array&& other) : data_(other.data_) {
other.data_ = nullptr; // 必要,否则数组会被 other 的析构函数释放
}
// 先释放自己的数组,再将数组从 other 移动到自己中
Array& operator=(Array&& other) {
if (data_) delete [] data_; // 先释放自己的内存
data_ = other.data_;
other.data_ = nullptr; // 必要,否则数组会被 other 的析构函数释放
return *this;
}
private:
int* data_;
};
回到本文开头的例子,我们可以为 MyClass 实现两个版本:
MyClass(const vector<int> array);// 将 array 拷贝到 MyClass 对象中
MyClass(vector<int>&& array); // 如果 array 是临时变量,则将它移动到 MyClass 对象中
右值引用是左值
初学者对右值引用最大的迷惑莫过于右值引用本身是一个左值。用通俗的话讲,如果函数参数是右值引用,那么它的生存期会一直持续到函数退出,因此,对于这个函数来说,它不是临时对象,而是有名字的函数参数,因此,应该将它当作左值对待。如果我们直接讲右值引用传递给其他函数,我们会调用它的左值引用版本,而不是右值引用版本。下面的例子展示了这个问题:
class Array {
public:
// 错误,data 是左值,会调用 vector 的拷贝构造函数
Array(vector<int>&& data) : data_(data) {}
private:
vector<int> data_;
};
如果我们希望调用其他函数的右值引用版本,需要使用 std::move 函数将左值引用转换成右值引用。如下所示:
#include <utility>
class Array {
public:
// 正确
Array(vector<int>&& data) : data_(std::move(data)) {}
private:
vector<int> data_;
};
需要强调的是,std::move 函数本身的功能仅仅是类型转换。它可以将任意类型左值引用转换为对应的右值引用。