Cpp-C-左值与右值.md

C++中的左值与右值
===
说明
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- 这一部分内容只是帮助理解 C++(11) 中左值与右值的概念。
- 在编程实践中，因为**编译器优化**的存在，特别是其中的**返回值优化**（Return Value Optimization, RVO）使你不需要额外关注左值与右值的区别，像 C++(03) 一样编程即可。
> [C++11 rvalues and move semantics confusion (return statement)](https://stackoverflow.com/questions/4986673/c11-rvalues-and-move-semantics-confusion-return-statement) - Stack Overflow
- 除非你在进行库的开发，特别是涉及模板元编程等内容时，需要实现[移动构造函数](#移动构造函数)（move constructor），或者[完美转发](#完美转发)
Index
---

- [小结](#小结)
- [左值引用类型 与 右值引用类型](#左值引用类型-与-右值引用类型)
- [当发生自动类型推断时，`T&&` 也能绑定左值](#当发生自动类型推断时t-也能绑定左值)
- [如何快速判断左值与右值](#如何快速判断左值与右值)
- [引用折叠规则](#引用折叠规则)
- [`move()` 与 `forward()`](#move-与-forward)
- [左值与右值的本质](#左值与右值的本质)
- [左值、消亡值、纯右值](#左值消亡值纯右值)
- [右值引用的特点](#右值引用的特点)
- [右值引用延长了临时对象的生命周期](#右值引用延长了临时对象的生命周期)
- [利用右值引用避免临时对象的拷贝和析构](#利用右值引用避免临时对象的拷贝和析构)
- [右值引用类型绑定的一定是右值，但 `T&&` 可能不是右值引用类型](#右值引用类型绑定的一定是右值但-t-可能不是右值引用类型)
- [当发生自动类型推断时，`T&&` 是未定的引用类型](#当发生自动类型推断时t-是未定的引用类型)
- [常量（左值）引用](#常量左值引用)
- [返回值优化 RVO](#返回值优化-rvo)
- [移动语义](#移动语义)
- [深拷贝带来的问题](#深拷贝带来的问题)
- [移动构造函数](#移动构造函数)
- [移动语义 与 `move()`](#移动语义-与-move)
- [`move()` 的本质](#move-的本质)
- [`move()` 的原型 TODO](#move-的原型-todo)
- [完美转发](#完美转发)
- [`forward()` 实现完美转发](#forwardt-实现完美转发)
- [`forward()`的原型 TODO](#forwardt的原型-todo)
- [Reference](#reference)

## 小结
### 左值引用类型 与 右值引用类型
```Cpp
T t1; // 类型 T
T& t2 = t1; // T& 表示 T 的左值引用类型，t2 是左值引用类型的变量，它引用的是一个左值
T&& t3 = T(); // T&& 表示 T 的右值引用类型，t3 是右值引用类型的变量，它引用的是一个右值

T& t4 = T(); // err: 左值引用 不能绑定一个 右值
T&& t5 = t1; // err: 右值引用 不能绑定一个 左值
const T& t6 = t1; // const T& 表示 T 的常量（左值）引用
const T& t7 = T(); // 常量引用类型是“万能”的引用类型
// 不能把 常量类型 绑定到 非常量引用类型 上
T&& t8 = t6; // err: 不能把常量类型绑定到 右值引用类型
T& t9 = t6; // err: 也不能把常量类型绑定到 左值引用类型
```
> 这里的变量 t1~t9 都是左值，因为它们都有名字
### 当发生自动类型推断时，`T&&` 也能绑定左值
```Cpp
template // 模板元编程
void foo(T&& t) { } // 此时 T&& 不是右值引用类型，而是未定引用类型
void bar(int&& v) { } // 非模板编程，int&& 是明确的右值引用类型
foo(10); // OK: 未定引用类型 t 绑定了一个右值
bar(10); // OK: 右值引用类型 v 绑定了一个右值
int x = 10;
foo(x); // OK: 未定引用类型 t 绑定了一个左值
bar(x); // err: 右值引用类型 v 不能绑定一个左值
int&& p = x; // err
auto&& t = x; // OK
```
- 此时，`T&&` 就不再是右值引用类型，而是**未定引用类型**
### 如何快速判断左值与右值
- **能被 `&` 取地址的就是左值**
```
int foo; // foo 是一个左值
cout << &foo; // 可以被取地址
foo = foo + 5; // foo + 5 是一个左值
cout << &(foo+5); // err
cout << &1; // err
```
- 多数常数、字符等字面量都是右值，但**字符串是左值**
- 虽然**字符串字面量**是左值；但它是 **const 左值**（只读对象），所以也不能对它赋值
```Cpp
cout << &'a'; // err: lvalue required as unary '&' operand
cout << &"abc"; // OK, 可以对字符串取地址
"abc" = "cba"; // err: assignment of read-only location
```
> 为什么字符串字面量是对象？——节省内存，同一份字符串字面量引用的是同一块内存
- 所有的具名变量或对象都是左值，而匿名变量/临时变量则是右值
- 匿名变量/临时变量的特点是表达式结束后就销毁了
```Cpp
int i = 5; // int 型字面量
auto f = []{return 5;}; // lambda 表达式
```
### 引用折叠规则
1. 所有的右值引用叠加到右值引用上仍然还是一个右值引用。（`T&& && 变成 T&&`）
2. 所有的其他引用类型之间的叠加都将变成左值引用。 （`T& &, T& &&, T&& & 都变成 T&`）
3. 对常量引用规则一致
- 示例
```Cpp
typedef int & lRef;
typedef int && rRef;

typedef const int & lcRef;
typedef const int && rcRef;

int main() {
int a = 10;

// 左值引用
lRef b = a; // T&
lRef & c = a; // T& &
lRef && d = a; // T& &&
rRef & e = a; // T&& &

// 右值引用
rRef f = 10; // T&&
rRef && g = 10; // T&& &&
// 左值引用
lcRef b2 = a; // const T&
lcRef & c2 = a; // const T& &
lcRef && d2 = a; // const T& &&
rcRef & e2 = a; // const T&& &

// 右值引用
rcRef f2 = 10; // const T&&
rcRef && g2 = 10; // const T&& &&
return 0;
}
```
### `move()` 与 `forward()`
- `move()` 的主要作用是将一个左值转为 xvalue（右值）, 其实现本质上是一个 `static_cast`
- `forward()` 主要用于实现完美转发，其作用是将一个类型为（左值/右值）引用的左值，转化为它的类型所对应的值类型（左值/右值）
> 觉得难以理解的话，就继续看下去吧
## 左值与右值的本质
- 左值表示是“**对象**”（object），右值表示“**值**”（value）——**“对象”内存储着“值”**
- 左值 `->` 右值的转换可看做“读取对象的值”（reading the value of an object）
- 其他说法：
- 左值是可以作为内存单元**地址的值**；右值是可以作为内存单元**内容的值**
- 左值是内存中持续存储数据的一个地址；右值是临时表达式结果
### 左值、消亡值、纯右值
- C++11 开始，表达式一般分为三类：左值（lvalue）、消亡值（xvalue）和纯右值（prvalue）；
- 其中左值和消亡值统称**泛左值**（glvalue）；
消亡值和纯右值统称**右值**（rvalue）。

## 右值引用的特点
### 右值引用延长了临时对象的生命周期
```
int i = getI(); // getI() 会返回一个 int 型的临时变量
T&& t = getT(); // t 是一个右值引用
// getT() 同样返回一个临时变量，但是该临时变量被“引用”了
// 因此生命周期得到了延长
```
- `getI()` 和 `getT()` 都返回一个临时变量，但是 `getT()` 产生的临时变量不会在表达式结束后就马上销毁，而是会被“续命”——它的声明周期将和它的**引用类型变量 `t`** 一样长。
### 利用右值引用避免临时对象的拷贝和析构
```Cpp
int g_constructCount=0;
int g_copyConstructCount=0;
int g_destructCount=0;
struct A {
A(){ // 基本构造
cout<<"construct: "<<++g_constructCount< }

A(const A& a) { // 拷贝构造
cout<<"copy construct: "<<++g_copyConstructCount < }

~A() { // 析构
cout<<"destruct: "<<++g_destructCount< }
};
A getA() {
A a; // 第一次构造
return a;
// return A(); // 等价，分开写是为了便于说明
}
int main() {
A a2 = getA(); // 非右值引用
A&& a3 = getA(); // 右值引用
return 0;
}
```
- 非右值引用，关闭返回值优化
```Cpp
construct: 1 // 第一次构造，getA() 中的局部变量 a
copy construct: 1 // 第二次构造，将 a 复制给一个临时变量
destruct: 1 // 析构局部变量 a
copy construct: 2 // 第三次构造，将临时变量复制给 a2
destruct: 2 // 析构临时变量
destruct: 3 // 程序结束，析构变量 a2
```
- 右值引用，关闭返回值优化
```Cpp
construct: 1 // 第一次构造，getA() 中的局部变量 a
copy construct: 1 // 第二次构造，将 a 复制给一个临时变量
// 右值引用 a3 延长了临时变量的声明周期，使其没有马上被析构
destruct: 1 // 析构局部变量 a
destruct: 2 // 程序结束，析构变量 a3
```
> 利用常量引用也能避免临时对象的拷贝与析构 -> [常量（左值）引用](#常量左值引用)
>
> 返回值优化做的更彻底 -> [返回值优化 RVO](#返回值优化-rvo)
### 右值引用类型绑定的一定是右值，但 `T&&` 可能不是右值引用类型
```Cpp
int&& v1 = 1; // OK: v1 是右值引用类型，且 1 是右值
int&& v2 = v1; // err: v2 是右值引用类型，但 v1 是左值
```
### 当发生自动类型推断时，`T&&` 是未定的引用类型
- `T&& t` 在发生**自动类型推断**时，是未定的引用类型
- 比如模板元编程，auto 关键字等
- 如果 `t` 被一个左值初始化，它就是一个左值；如果 `t` 被一个右值初始化，它就是一个右值
```Cpp
template // 模板元编程
void foo(T&& t) { } // 此时 T&& 不是右值引用类型，而是未定引用类型
foo(10); // OK: 未定引用类型 t 绑定了一个右值
int x = 10;
foo(x); // OK: 未定引用类型 t 绑定了一个左值
int&& p = x; // err
auto&& t = x; // OK
```
- 仅当发生自动类型推导时（模板编程，auto 关键字），`T&&` 才是未定引用类型
```Cpp
void bar(int&& v) { } // 非模板编程，int&& 是明确的右值引用类型
bar(10); // OK: 右值引用类型 v 绑定了一个右值
int x = 10;
bar(x); // err: 右值引用类型 v 不能绑定一个左值
```
## 常量（左值）引用
- 右值引用是 C++11 引入的概念
- 在 C++11 前，是如何避免临时对象的拷贝和析构呢？——利用**常量左值引用**
```Cpp
const A& a = getA(); // OK: 常量左值引用可以接受右值
```
- 常量左值引用是一个“万能”的引用类型，可以接受左值、右值、常量左值和常量右值
- 普通的左值引用不能接受右值
```Cpp
A& a = getA(); // err: 非常量左值引用只能接受左值
```
## 返回值优化 RVO
- 利用右值引用可以避免临时对象的拷贝可析构
- 但编译器的返回值优化（Return Value Optimization, RVO）做得“更绝”，直接回避了所有拷贝构造
```Cpp
int g_constructCount=0;
int g_copyConstructCount=0;
int g_destructCount=0;
struct A {
A(){ // 基本构造
cout<<"construct: "<<++g_constructCount< }

A(const A& a) { // 拷贝构造
cout<<"copy construct: "<<++g_copyConstructCount < }

~A() { // 析构
cout<<"destruct: "<<++g_destructCount< }
};
A getA() {
A a; // 第一次构造
return a;
// return A(); // 等价，分开写是为了便于说明
}
int main() {
A aa = getA(); // 第二次构造：把 a 复制给一个临时变量，
// 第三次构造：把临时变量复制给 aa
// 开启优化后，相当于直接把 a “改名”成 aa 了，所以只有一次构造
return 0;
}
```
- 关闭编译器优化的结果
```Cpp
construct: 1 // 第一次构造，getA() 中的局部变量 a
copy construct: 1 // 第二次构造，将 a 复制给一个临时变量
destruct: 1 // 析构局部变量 a
copy construct: 2 // 第三次构造，将临时变量复制给 aa
destruct: 2 // 析构临时变量
destruct: 3 // 程序结束，析构变量 aa
```
- 开启编译器优化
```Cpp
construct: 1 // 构造局部变量 a，在编译的优化下，相当于直接将 a “改名” aa
destruct: 1 // 程序结束，析构变量 aa
```
- 返回值优化并不是 C++ 的标准，是各编译器优化的结果，但是这项优化并不复杂，所以基本流行的编译器都提供
## 移动语义
### 深拷贝带来的问题
- 带有**堆内存**的类，必须提供一个深拷贝构造函数，以避免“指针悬挂”问题
> 所谓指针悬挂，指的是两个对象内部的成员指针变量指向了同一块地址，析构时这块内存会因被删除两次而发生错误
```Cpp
class A {
public:
A(): m_ptr(new int(0)) { // new 堆内存
cout << "construct" << endl;
}
A(const A& a):m_ptr(new int(*a.m_ptr)) { // 深拷贝构造函数
cout << "copy construct" << endl;
}

~A(){
// cout << "destruct" << endl;
delete m_ptr; // 析构函数，释放堆内存的资源
}
private:
int* m_ptr; // 成员指针变量
};
A getA() {
return A();
}
int main() {
A a = getA();
return 0;
}
```
- 输出（关闭 RVO）
```Cpp
construct
copy construct
copy construct
```
> 如果不关闭 RVO，只会输出 `construct`
- 提供深拷贝能够保证程序的正确性，但会带来额外的性能损耗——临时对象也会申请一块内存，然后又马上被销毁了；如果堆内存很大的话，这个性能损耗是不可忽略的
- 对于临时对象而言，深拷贝不是必须的
- 利用右值引用可以避免无谓的深拷贝——移动拷贝构造函数
### 移动构造函数
- 相比上面的代码，这里只多了一个移动构造函数——一般会同时提供拷贝构造与移动构造
```Cpp
class A {
public:
A(): m_ptr(new int(0)) { // new 堆内存
cout << "construct" << endl;
}
A(const A& a): m_ptr(new int(*a.m_ptr)) { // 深拷贝构造函数
cout << "copy construct" << endl;
}
A(A&& a): m_ptr(a.m_ptr) { // 移动构造函数
a.m_ptr = nullptr; // 把参数对象的指针指向 nullptr
cout << "move construct" << endl;
}
~A(){
// cout << "destruct" << endl;
delete m_ptr; // 析构函数，释放堆内存的资源
}
private:
int* m_ptr; // 成员指针变量
};
A getA() {
return A();
}
int main() {
A a = getA();
return 0;
}
```
- 输出（关闭返回值优化）
```Cpp
construct
move construct // 没有调用深拷贝，值调用了移动构造函数
move construct
```
> 如果不关闭 RVO，只会输出 `construct`
- 这里没有自动类型推断，所以 `A&&` 一定是右值引用类型，因此所有**临时对象**（右值）会匹配到这个构造函数，而不会调用深拷贝
- 对于临时对象而言，没有必要调用深拷贝
- 这就是所谓的**移动语义**——右值引用的一个重要目的就是为了支持移动语义
### 移动语义 与 `move()`
- 移动语义是通过右值引用来匹配临时值，从而避免深拷贝
- 利用 `move()` 方法，可以将普通的左值转化为右值来达到**避免深拷贝**的目的
```Cpp
class A {
public:
A(): m_ptr(new int(0)) { // new 堆内存
cout << "construct" << endl;
}
A(const A& a): m_ptr(new int(*a.m_ptr)) { // 深拷贝构造函数
cout << "copy construct" << endl;
}
A(A&& a): m_ptr(a.m_ptr) { // 移动构造函数
//a.m_ptr = nullptr; // 为了实验，这里没有把参数对象的指针指向 nullptr
cout << "move construct" << endl;
}
~A(){
// cout << "destruct" << endl;
delete m_ptr; // 析构函数，释放堆内存的资源
}
int get_data() {
return *m_ptr;
}
void set_data(int v) {
*m_ptr = v;
}
private:
int* m_ptr; // 成员指针变量
};
int main() {
A a1; // construct
a1.set_data(1);
cout << a1.get_data() << endl; // 1

A a2 = a1; // copy construct
cout << a2.get_data() << endl; // 1
a2.set_data(2);
cout << a2.get_data() << endl; // 2
cout << a1.get_data() << endl; // 1
A a3 = move(a1); // move construct
a3.set_data(3);
cout << a3.get_data() << endl; // 3
cout << a1.get_data() << endl; // 3: 因为没有深拷贝，指向的是同一块地址
return 0;
}
```
- 运行结果
```Cpp
construct
1
copy construct
1
2
1
move construct
3
3
```
- STL 容器的移动语义
```Cpp
{
list tokens;
//省略初始化...
list t = tokens; // 这里存在深拷贝
}
list tokens;
list t = move(tokens); // 这里没有深拷贝
```
- C++11 中所有的容器都实现了移动语义
### `move()` 的本质
- `move()` 实际上并没有移动任何东西，它唯一的功能是将一个左值**强制转换**为一个右值引用
- 如果没有对应的移动构造函数，那么使用 `move()` 仍会发生深拷贝，比如基本类型，定长数组等
- 因此，`move()` 对于含有资源（堆内存或句柄）的对象来说更有意义。
### `move()` 的原型 TODO
> [c++11 中的 move 与 forward - twoon](https://www.cnblogs.com/catch/p/3507883.html) - 博客园
## 完美转发
- 右值引用的引入，使函数可以根据值的类型（左值或右值）进行不同的处理
- 于是又引入了一个问题——如何正确的传递参数，保持参数作为左值或右值的特性
- 转发失败的例子：
```Cpp
void processValue(int& a) { cout << "lvalue" << endl; }
void processValue(int&& a) { cout << "rvalue" << endl; }
template
void forwardValue(T&& val) {
processValue(val); // 因为 val 本身是一个左值
// 所以无论 val 是左值引用类型还是右值引用类型的变量
// 都只会调用 processValue(int& a)
}
int main() {
int i = 1;
forwardValue(i); // 传入一个左值
// val 会被推断为是一个左值引用类型
forwardValue(1); // 传入一个右值
// 虽然 val 会被推断为是一个右值引用类型，但它本身是一个左值
return 0;
}
```
- 输出
```Cpp
lvalue
lvalue
```
- 无论传入的是左值还是右值，val 都是一个左值
### `forward()` 实现完美转发
> 这里写的不够详细，有时间在整理
- 在函数模板中，`T&&` 实际上是未定引用类型，它是可以得知传入的对象是左值还是右值的
- 这个特性使其可以成为一个参数的路由，利用 `forward()` 实现完美转发
- `std::forward()` 可以保留表达式作为“对象”（左值）或“值”（右值）的特性

- 利用 `std::forward()` 实现完美转发：
> 不可以用变量接收 `forward()` 的返回值，因为所有具名变量都是左值
```Cpp
void processValue(int& a) { cout << "lvalue" << endl; }
void processValue(int&& a) { cout << "rvalue" << endl; }
template
void forwardValue(T&& val) {
processValue(forward(val)); // 利用 forward 保持对象的左右值特性
// 必须把 forward(val) 打包作为参数，否则都达不到完美转发的目的
// auto v = forward(val);
// processValue(v);
// auto&& v = forward(val);
// processValue(v);
}
int main() {
int i = 1;
forwardValue(i); // 传入一个左值
forwardValue(1); // 传入一个右值
return 0;
}
```
- 输出
```Cpp
lvalue
rvalue
```
- 正确实现了转发
### `forward()`的原型 TODO
## Reference
- [The lvalue/rvalue metaphor](https://josephmansfield.uk/articles/lvalue-rvalue-metaphor.html) — Joseph Mansfield
- [关于C++左值和右值区别有没有什么简单明了的规则可以一眼辨别？](https://www.zhihu.com/question/39846131/answer/85277628) - 知乎
- [从4行代码看右值引用 - qicosmos(江南)](https://www.cnblogs.com/qicosmos/p/4283455.html) - 博客园
- [c++11 中的 move 与 forward - twoon](https://www.cnblogs.com/catch/p/3507883.html) - 博客园
- [左值右值的一点总结 - twoon](http://www.cnblogs.com/catch/p/5019402.html) - 博客园