【C++11】{}/右值引用/移动语义/类型分类/引用折叠/完美转发--C++

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一、C++11的发展历史
二、列表初始化
三、右值引用和移动语义

一、C++11的发展历史

C++11 是 C++ 的第二个主要版本，并且是从 C++98 起的最重要更新。它引入了大量更改，标准化了既有实践，并改进了对 C++ 程序员可用的抽象。在它最终由 ISO 在 2011 年 8 月 12 日采纳前，人们曾使用名称“C++0x”，因为它曾被期待在 2010 年之前发布。C++03 与 C++11 期间花了 8 年时间，故而这是迄今为止最长的版本间隔。从那时起，C++ 有规律地每 3 年更新一次。
在这里插入图片描述

二、列表初始化

2、C++98传统的{}

C++98中一般数组和结构体可以用{}进行初始化。

struct Point { 
    int _x; int _y; }; int main() { 
    int array1[] = { 
    1, 2, 3, 4, 5 }; int array2[5] = { 
    0 }; Point p = { 
    1, 2 }; return 0; }

3、C++11中的{}

C++11以后想统一初始化方式，试图实现一切对象皆可用{}初始化，{}初始化也叫做列表初始化。
内置类型支持，自定义类型也支持，自定义类型本质是类型转换，中间会产生临时对象，最后优化了以后变成直接构造。
{}初始化的过程中，可以省略掉=
C++11列表初始化的本意是想实现一个大统一的初始化方式，其次他在有些场景下带来的不少便利，如容器push/inset多参数构造的对象时，{}初始化会很方便

#include<iostream> #include<vector> using namespace std; struct Point { 
    int _x; int _y; }; class Date { 
    public: Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1) :_year(year) , _month(month) , _day(day) { 
    cout << "Date(int year, int month, int day)" << endl; } Date(const Date& d) :_year(d._year) , _month(d._month) , _day(d._day) { 
    cout << "Date(const Date& d)" << endl; } private: int _year; int _month; int _day; }; // ⼀切皆可⽤列表初始化，且可以不加= int main() { 
    // C++98⽀持的 int a1[] = { 
    1, 2, 3, 4, 5 }; int a2[5] = { 
    0 }; Point p = { 
    1, 2 }; // C++11⽀持的 // 内置类型⽀持 int x1 = { 
    2 }; // ⾃定义类型⽀持 // 这⾥本质是⽤{ 2025, 1, 1}构造⼀个Date临时对象 // 临时对象再去拷⻉构造d1，编译器优化后合⼆为⼀变成{ 2025, 1, 1}直接构造初始化d1 // 运⾏⼀下，我们可以验证上⾯的理论，发现是没调⽤拷⻉构造的 Date d1 = { 
    2025, 1, 1}; // 这⾥d2引⽤的是{ 2024, 7, 25 }构造的临时对象 const Date& d2 = { 
    2024, 7, 25 }; // 需要注意的是C++98⽀持单参数时类型转换，也可以不⽤{} Date d3 = { 
    2025}; Date d4 = 2025; // 可以省略掉= Point p1 { 
    1, 2 }; int x2 { 
    2 }; Date d6 { 
    2024, 7, 25 }; const Date& d7 { 
    2024, 7, 25 }; // 不⽀持，只有{}初始化，才能省略= // Date d8 2025; vector<Date> v; v.push_back(d1); v.push_back(Date(2025, 1, 1)); // ⽐起有名对象和匿名对象传参，这⾥{}更有性价⽐ v.push_back({ 
    2025, 1, 1 }); return 0; }

4、C++11中的std::initializer_list

上面的初始化已经很方便，但是对象容器初始化还是不太方便，比如一个vector对象，我想用N个值去构造初始化，那么我们得实现很多个构造函数才能支持， vector<int> v1 = {1,2,3};vector<int> v2 = {1,2,3,4,5};
C++11库中提出了一个std::initializer_list的类， auto il = { 10, 20, 30 }; // the type of il is an initializer_list ，这个类的本质是底层开一个数组，将数据拷贝过来，std::initializer_list内部有两个指针分别指向数组的开始和结束。
这是他的文档：initializer_list，std::initializer_list支持迭代器遍历。
容器支持一个std::initializer_list的构造函数，也就支持任意多个值构成的 {x1,x2,x3...} 进行初始化。STL中的容器支持任意多个值构成的 {x1,x2,x3...} 进行初始化，就是通过std::initializer_list的构造函数支持的。

// STL中的容器都增加了⼀个initializer_list的构造 vector (initializer_list<value_type> il, const allocator_type& alloc = allocator_type()); list (initializer_list<value_type> il, const allocator_type& alloc = allocator_type()); map (initializer_list<value_type> il,const key_compare& comp = key_compare(),const allocator_type& alloc = allocator_type()); // ... template<class T> class vector { 
    public: typedef T* iterator; vector(initializer_list<T> l) { 
    for (auto e : l) push_back(e) } private: iterator _start = nullptr; iterator _finish = nullptr; iterator _endofstorage = nullptr; }; // 另外，容器的赋值也⽀持initializer_list的版本 vector& operator= (initializer_list<value_type> il); map& operator= (initializer_list<value_type> il);

#include<iostream> #include<vector> #include<string> #include<map> using namespace std; int main() { 
    std::initializer_list<int> mylist; mylist = { 
    10, 20, 30 }; cout << sizeof(mylist) << endl; // 这⾥begin和end返回的值initializer_list对象中存的两个指针 // 这两个指针的值跟i的地址跟接近，说明数组存在栈上 int i = 0; cout << mylist.begin() << endl; cout << mylist.end() << endl; cout << &i << endl; // {}列表中可以有任意多个值 // 这两个写法语义上还是有差别的，第⼀个v1是直接构造， // 第⼆个v2是构造临时对象+临时对象拷⻉v2+优化为直接构造 vector<int> v1({ 
    1,2,3,4,5 }); vector<int> v2 = { 
    1,2,3,4,5 }; const vector<int>& v3 = { 
    1,2,3,4,5 }; // 这⾥是pair对象的{}初始化和map的initializer_list构造结合到⼀起⽤了 map<string, string> dict = { 
    { 
   "sort", "排序"}, { 
   "string", "字符串"}}; // initializer_list版本的赋值⽀持 v1 = { 
    10,20,30,40,50 }; return 0; }

三、右值引用和移动语义

C++98的C++语法中就有引用的语法，而C++11中新增了的右值引用语法特性，C++11之后我们之前学习的引用就叫做左值引用。无论左值引用还是右值引用，都是给对象取别名。

1、左值和右值

左值是一个表示数据的表达式(如变量名或解引用的指针)，一般是有持久状态，存储在内存中，我们可以获取它的地址，左值可以出现赋值符号的左边，也可以出现在赋值符号右边。定义时const修饰符后的左值，不能给他赋值，但是可以取它的地址。
右值也是一个表示数据的表达式，要么是字面值常量、要么是表达式求值过程中创建的临时对象等，右值可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现出现在赋值符号的左边，右值不能取地址。
值得一提的是，左值的英文简写为lvalue，右值的英文简写为rvalue。传统认为它们分别是left value、right value 的缩写。现代C++中，lvalue 被解释为loactor value的缩写，可意为存储在存中、有明确存储地址可以取地址的对象，而 rvalue 被解释为 read value，指的是那些可以提供数据值，但是不可以寻址，例如：临时变量，字面量常量，存储于寄存器中的变量等，也就是说左值和右值的核心区别就是能否取地址。

#include<iostream> using namespace std; int main() { 
    // 左值：可以取地址 // 以下的p、b、c、*p、s、s[0]就是常⻅的左值 int* p = new int(0); int b = 1; const int c = b; *p = 10; string s(""); s[0] = 'x'; cout << &c << endl; cout << (void*)&s[0] << endl; // 右值：不能取地址 double x = 1.1, y = 2.2; // 以下⼏个10、x + y、fmin(x, y)、string("11111")都是常⻅的右值 10; x + y; fmin(x, y); string("11111"); //cout << &10 << endl; //cout << &(x+y) << endl; //cout << &(fmin(x, y)) << endl; //cout << &string("11111") << endl; return 0; }

2、左值引用和右值引用

Type& r1 = x; Type&& rr1 = y; 第一个语句就是左值引用，左值引用就是给左值取别名，第二个就是右值引用，同样的道理，右值引用就是给右值取别名。
左值引用不能直接引用右值，但是const左值引用可以引用右值
右值引用不能直接引用左值，但是右值引用可以引用move(左值)
代码:template <class T> typename remove_reference<T>::type&& move (T&& arg);
move是库里面的一个函数模板，本质内部是进行强制类型转换，当然他还涉及一些引用折叠的知识，这后面会细讲。
需要注意的是变量表达式都是左值属性，也就意味着一个右值被右值引用绑定后，右值引用变量变量表达式的属性是左值
语法层面看，左值引用和右值引用都是取别名，不开空间。从汇编底层的角度看下面代码中r1和rr1汇编层实现，底层都是用指针实现的，没什么区别。底层汇编等实现和上层语法表达的意义有时是背离的，所以不要然到一起去理解，互相佐证，这样反而是陷入迷途。

template <class _Ty> remove_reference_t<_Ty>&& move(_Ty&& _Arg) { 
    // forward _Arg as movable return static_cast<remove_reference_t<_Ty>&&>(_Arg); } #include<iostream> using namespace std; int main() { 
    // 左值：可以取地址 // 以下的p、b、c、*p、s、s[0]就是常⻅的左值 int* p = new int(0); int b = 1; const int c = b; *p = 10; string s(""); s[0] = 'x'; double x = 1.1, y = 2.2; // 左值引⽤给左值取别名 int& r1 = b; int*& r2 = p; int& r3 = *p; string& r4 = s; char& r5 = s[0]; // 右值引⽤给右值取别名 int&& rr1 = 10; double&& rr2 = x + y; double&& rr3 = fmin(x, y); string&& rr4 = string("11111"); // 左值引⽤不能直接引⽤右值，但是const左值引⽤可以引⽤右值 const int& rx1 = 10; const double& rx2 = x + y; const double& rx3 = fmin(x, y); const string& rx4 = string("11111"); // 右值引⽤不能直接引⽤左值，但是右值引⽤可以引⽤move(左值) int&& rrx1 = move(b); int*&& rrx2 = move(p); int&& rrx3 = move(*p); string&& rrx4 = move(s); string&& rrx5 = (string&&)s; // b、r1、rr1都是变量表达式，都是左值 cout << &b << endl; cout << &r1 << endl; cout << &rr1 << endl; // 这⾥要注意的是，rr1的属性是左值，所以不能再被右值引⽤绑定，除⾮move⼀下 int& r6 = r1; // int&& rrx6 = rr1; int&& rrx6 = move(rr1); return 0; }

3、引用延长生命周期

右值引用可用于为临时对象延长生命周期，const 的左值引用也能延长临时对象生存期，但这些对象无法被修改。

int main() { 
    std::string s1 = "Test"; // std::string&& r1 = s1; // 错误：不能绑定到左值 const std::string& r2 = s1 + s1; // OK：到 const 的左值引⽤延⻓⽣存期 // r2 += "Test"; // 错误：不能通过到 const 的引⽤修改 std::string&& r3 = s1 + s1; // OK：右值引⽤延⻓⽣存期 r3 += "Test"; // OK：能通过到⾮ const 的引⽤修改 std::cout << r3 << '\n'; return 0; }

4、左值和右值的参数匹配

C++98中，我们实现一个const左值引用作为参数的函数，那么实参传递左值和右值都可以匹配。
C++11以后，分别重载左值引用、const左值引用、右值引用作为形参的f函数，那么实参是左值会匹配f(左值引用)，实参是const左值会匹配f(const 左值引用)，实参是右值会匹配f(右值引用)。
右值引用变量在用于表达式时属性是左值，这个设计这里会感觉跟怪，下一⼩节我们讲右值引用的使用场景时，就能体会这样设计的价值了

#include<iostream> using namespace std; void f(int& x) { 
    std::cout << "左值引⽤重载 f(" << x << ")\n"; } void f(const int& x) { 
    std::cout << "到 const 的左值引⽤重载 f(" << x << ")\n"; } void f(int&& x) { 
    std::cout << "右值引⽤重载 f(" << x << ")\n"; } int main() { 
    int i = 1; const int ci = 2; f(i); // 调⽤ f(int&) f(ci); // 调⽤ f(const int&) f(3); // 调⽤ f(int&&)，如果没有 f(int&&) 重载则会调⽤ f(const int&) f(std::move(i)); // 调⽤ f(int&&) // 右值引⽤变量在⽤于表达式时是左值 int&& x = 1; f(x); // 调⽤ f(int& x) f(std::move(x)); // 调⽤ f(int&& x) return 0; }

5、右值引用和移动语义的使用场景

5.1、左值引用主要使用场景回顾

左值引用主要使用场景是在函数中左值引用传参和左值引用传返回值时减少拷贝，同时还可以修改实参和修改返回对象的价值。左值引用已经解决大多数场景的拷贝效率问题，但是有些场景不能使用传左值引用返回，如addStrings和generate函数，C++98中的解决方案只能是被迫使用输出型参数解决。那么C++11以后这里可以使用右值引用做返回值解决吗？显然是不可能的，因为这里的本质是返回对象是一个局部对象，函数结束这个对象就析构销毁了，右值引用返回也无法概念对象已经析构销毁的事实。

class Solution { 
    public: // 传值返回需要拷⻉ string addStrings(string num1, string num2) { 
    string str; int end1 = num1.size()-1, end2 = num2.size()-1; // 进位 int next = 0; while(end1 >= 0 || end2 >= 0) { 
    int val1 = end1 >= 0 ? num1[end1--]-'0' : 0; int val2 = end2 >= 0 ? num2[end2--]-'0' : 0; int ret = val1 + val2+next; next = ret / 10; ret = ret % 10; str += ('0'+ret); } if(next == 1) str += '1'; reverse(str.begin(), str.end()); return str; } }; class Solution { 
    public: // 这⾥的传值返回拷⻉代价就太⼤了 vector<vector<int>> generate(int numRows) { 
    vector<vector<int>> vv(numRows); for(int i = 0; i < numRows; ++i) { 
    vv[i].resize(i+1, 1); } for(int i = 2; i < numRows; ++i) { 
    for(int j = 1; j < i; ++j) { 
    vv[i][j] = vv[i-1][j] + vv[i-1][j-1]; } } return vv; } };

5.2、移动构造和移动赋值

移动构造函数是一种构造函数，类似拷贝构造函数，移动构造函数要求第一个参数是该类类型的引用，但是不同的是要求这个参数是右值引用，如果还有其他参数，额外的参数必须有缺省值。
移动赋值是一个赋值运算符的重载，他跟拷贝赋值构成函数重载，类似拷贝赋值函数，移动赋值函数要求第一个参数是该类类型的引用，但是不同的是要求这个参数是右值引用。
对于像string/vector这样的深拷贝的类或者包含深拷贝的成员变量的类，移动构造和移动赋值才有意义，因为移动构造和移动赋值的第一个参数都是右值引用的类型，他的本质是要“窃取”引用的右值对象的资源，而不是像拷贝构造和拷贝赋值那样去拷贝资源，从提⾼效率。下面的bit::string样例实现了移动构造和移动赋值，我们需要结合场景理解。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 #include<iostream> #include<assert.h> #include<string.h> #include<algorithm> using namespace std; namespace xz { 
    class string { 
    public: typedef char* iterator; typedef const char* const_iterator; iterator begin() { 
    return _str; } iterator end() { 
    return _str + _size; } const_iterator begin() const { 
    return _str; } const_iterator end() const { 
    return _str + _size; } string(const char* str = "") :_size(strlen(str)) , _capacity(_size) { 
    cout << "string(char* str)-构造" << endl; _str = new char[_capacity + 1]; strcpy(_str, str); } void swap(string& s) { 
    ::swap(_str, s._str); ::swap(_size, s._size); ::swap(_capacity, s._capacity); } string(const string& s) :_str(nullptr) { 
    cout << "string(const string& s) -- 拷⻉构造" << endl; reserve(s._capacity); for (auto ch : s) { 
    push_back(ch); } } // 移动构造 string(string&& s) { 
    cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl; swap(s); } string& operator=(const string& s) { 
    cout << "string& operator=(const string& s) -- 拷⻉赋值" <<endl; if (this != &s) { 
    _str[0] = '\0'; _size = 0; reserve(s._capacity); for (auto ch : s) { 
    push_back(ch); } } return *this; } // 移动赋值 string& operator=(string&& s) { 
    cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl; swap(s); return *this; } ~string() { 
    cout << "~string() -- 析构" << endl; delete[] _str; _str = nullptr; } char& operator[](size_t pos) { 
    assert(pos < _size); return _str[pos]; } void reserve(size_t n) { 
    if (n > _capacity) { 
    char* tmp = new char[n + 1]; if (_str) { 
    strcpy(tmp, _str); delete[] _str; } _str = tmp; _capacity = n; } } void push_back(char ch) { 
    if (_size >= _capacity) { 
    size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2; reserve(newcapacity); } _str[_size] = ch; ++_size; _str[_size] = '\0'; } string& operator+=(char ch) { 
    push_back(ch); return *this; } const char* c_str() const { 
    return _str; } size_t size() const { 
    return _size; } private: char* _str = nullptr; size_t _size = 0; size_t _capacity = 0; }; } int main() { 
    bit::string s1("xxxxx"); // 拷⻉构造 bit::string s2 = s1; // 构造+移动构造，优化后直接构造 bit::string s3 = bit::string("yyyyy"); // 移动构造 bit::string s4 = move(s1); cout << "" << endl; return 0; }

5.3、右值引用和移动语义解决传值返回问题

namespace bit { 
    string addStrings(string num1, string num2) { 
    string str; int end1 = num1.size() - 1, end2 = num2.size() - 1; int next = 0; while (end1 >= 0 || end2 >= 0) { 
    int val1 = end1 >= 0 ? num1[end1--] - '0' : 0; int val2 = end2 >= 0 ? num2[end2--] - '0' : 0; int ret = val1 + val2 + next; next = ret / 10; ret = ret % 10; str += ('0' + ret); } if (next == 1) str += '1'; reverse(str.begin(), str.end()); cout << "" << endl; return str; } } // 场景1 int main() { 
    bit::string ret = bit::addStrings("11111", "2222"); cout << ret.c_str() << endl; return 0; } // 场景2 int main() { 
    bit::string ret; ret = bit::addStrings("11111", "2222"); cout << ret.c_str() << endl; return 0; }

右值对象构造，只有拷贝构造，没有移动构造的场景

图1展示了vs2019 debug环境下编译器对拷贝的优化，左边为不优化的情况下，两次拷贝构造，右边为编译器优化的场景下连续步骤中的拷贝合二为一变为一次拷贝构造。
需要注意的是在vs2019的release和vs2022的debug和release，下面代码优化为非常恐怖，会直接将str对象的构造，str拷贝构造临时对象，临时对象拷贝构造ret对象，合三为一，变为直接构造。变为直接构造。要理解这个优化要结合局部对象生命周期和栈帧的角度理解，如图3所示。
linux下可以将下面代码拷贝到test.cpp文件，编译时用 g++ test.cpp -fno-elideconstructors 的方式关闭构造优化，运行结果可以看到图1左边没有优化的两次拷贝。

右值对象构造，有拷贝构造，也有移动构造的场景
图2展示了vs2019 debug环境下编译器对拷贝的优化，左边为不优化的情况下，两次移动构造，右边为编译器优化的场景下连续步骤中的拷贝合二为一变为一次移动构造。
需要注意的是在vs2019的release和vs2022的debug和release，下面代码优化为非常恐怖，会直接将str对象的构造，str拷贝构造临时对象，临时对象拷贝构造ret对象，合三为一，变为直接构造。要理解这个优化要结合局部对象生命周期和栈帧的角度理解，如图3所示。
linux下可以将下面代码拷贝到test.cpp文件，编译时用 g++ test.cpp -fno-elideconstructors 的方式关闭构造优化，运行结果可以看到图1左边没有优化的两次移动。

在这里插入图片描述

右值对象赋值，只有拷贝构造和拷贝赋值，没有移动构造和移动赋值的场景

图4左边展示了vs2019 debug和 g++ test.cpp -fno-elide-constructors 关闭优化环境下编译器的处理，一次拷贝构造，一次拷贝赋值。
需要注意的是在vs2019的release和vs2022的debug和release，下面代码会进一步优化，直接构造要返回的临时对象，str本质是临时对象的引用，底层角度用指针实现。运行结果的角度，我们可以看到str的析构是在赋值以后，说明str就是临时对象的别名。