C++中 value category & move

万万车险

原来我也只知道C++中有左值和右值，通过今天的学习才知道，C++中不光有左值和右值。
C++中有5种值类别，lvalue, rvalue, glvalue, xvalue, prvalue

• lvalue: 左值
  
• rvalue: 右值
  
• glvalue: generalized lvalue, 广义左值
  
• xvalue: expiring lvalue, 将亡值
  
• prvalue: prue rvalue, 纯右值
  

看到这些不要害怕，我们一点点来。
首先我们看下最熟悉的lvalue.
lvalue

左值是有标识符，可以取地址的表达式。 比如说：

• 变量，函数名，类的数据成员名
  这些都是变量名嘛
  
• 返回左值引用的表达式，如 ++x, x = 1, cout << " "
  
• 字符串字面值，如"hello world"
  

值得注意的是，&, reference 其实是左值引用，我们在调用函数时，传递的参数是左值，编译器就会匹配函数参数是左值的那一个函数。
一个常量只能绑定到常左值引用，比如:
const int a = 1;
// int& b = a;  // 编译不过
const int& c = a;
prvalue

纯右值，是没有标识符，不可取地址的表达式，一般称之为临时对象

• 非引用类型的表达式，如x++, x+1, make_shared(42)
  
• 除字符串字面值之外的字面值，如 42, true
  

在C++11之前，右值可以绑定到常左值引用的参数，但是不可以绑定到非 常左值引用。 如:
// int& a = 1; // 编译不过
const int& a = 1;
在C++11，引入了右值引用，&&。这时我们就可以右值绑定到常右值引用，或者是非常右值引用了。
int&& a = 1;
const int&& b = 1;
引入一种额外的引用类型当然增加了语言的复杂性，但也带来了很多优化的可能性。由于 C++ 有重载，我们就可以根据不同的引用类型，来选择不同的重载函数，来完成不同的行为。
void f(int& a) {
    cout << "int&" << endl;
}

void f(int&& a) {
    cout << "int&&" << endl;
}

int main(int argc, char const* argv[])
{
    int a = 1;
    f(a);  // a 是一个左值，变量名
    f(1);  // 数字1是一个右值
    return 0;
}
输出:
int&
int&&
那f内的a是左值还是右值呢？ 都是左值，因为他们都是一个变量名。类型右值引用的变量是一个左值
xvalue

将亡值，也是一个右值
标准库里有一个move函数，std::move，它的作用是把一个左值引用强制转换成一个右值引用，并不改变其内容。
我们可以把move的返回值看成一个有名字的右值，为了跟无名的纯右值相区别，C++就把这种表达式叫做xvalue，xvalue也是不能取地址的。
<hr/>插播一个生命周期
一个变量的生命周期在超出作用域时结束。如果一个变量代表一个对象，当然这个对象的生命周期也在那时结束。
那临时对象（prvalue）呢？
C++ 的规则是：一个临时对象会在包含这个临时对象的完整表达式估值完成后、按生成顺序的逆序被销毁，除非有生命周期延长发生。
我们先看一个没有生命周期延长的基本情况：
class shape {
public:
    virtual ~shape() {}
};

class circle : public shape {
public:
    circle() { cout << "circle()" << endl; }
    ~circle() { cout << "~circle()" << endl; }
};

class triangle : public shape {
public:
    triangle() { cout << "triangle()" << endl; }
    ~triangle() { cout << "~triangle()" << endl; }
};

class result {
public:
    result() { cout << "result()" << endl; }
    ~result() { cout << "~result()" << endl; }
};

result
process_shape(const shape& shape1,
    const shape& shape2)
{
    return result();
}


process_shape(circle(), triangle());
输出:
triangle()
circle()
result()
~result()
~circle()
~triangle()
运行之后你可以看到，result 临时对象最后生成，最先被析构。
下面，我们用右值引用接收一下返回值，result&& r = process_shape(circle(), triangle());
triangle()
circle()
result()
~circle()
~triangle()
~result()
你会发现，result的生成还在原来的位置，但是析构被延迟到了最后。
我们在上一步的基础上在加上move, result&& r = move(process_shape(circle(), triangle()));
triangle()
circle()
result()
~result()
~circle()
~triangle()
输出又变回了原来的样子。
需要注意的是: 右值引用的声明周期延长只对 prvalue 有效，而对 xvalue无效。 如果由于某种原因，prvalue 在绑定到引用以前已经变成了 xvalue，那生命期就不会延长。不注意这点的话，代码就可能会产生隐秘的 bug。
<hr/>移动

C++出现移动的意义是什么？
class A {
  B b_;
  C c_;
};
对于这样的代码，从实际内存布局的角度，很多语言如 Java 和 Python 会在 A 对象里放 B 和 C 的指针（虽然这些语言里本身没有指针的概念）。 而 C++ 则会直接把 B 和 C 对象放在 A 的内存空间里。这种行为既是优点也是缺点。说它是优点，是因为它保证了内存访问的局域性，而局域性在现代处理器架构上是绝对具有性能优势的。说它是缺点，是因为复制对象的开销大大增加：在 Java 类语言里复制的是指针，在 C++ 里是完整的对象。这就是为什么 C++ 需要移动语义这一优化，而 Java 类语言里则根本不需要这个概念。
如何实现移动??
通常需要下面几步：

• 类应该有拷贝构造和移动构造（除非你只打算支持移动，不支持拷贝————如 unique_ptr）
  可以参考我的文章 《C++手把手带你实现一个智能指针》
  
• 应该有 swap 成员函数，支持和另外一个对象快速交换成员
  
• 在你的对象的命名空间下，应当有一个全局的 swap 函数，调用成员函数 swap 来实现交换。
  支持这种用法会方便别人（包括你自己在将来）在其他对象里包含你的对象，并快速实现它们的 swap 函数。
  
• 实现通用的 operator=
  
• 上面各个函数如果不抛异常的话，应当标为 noexcept。
  

我写了一个例子，可以参考一下，如果有问题还请指出来，我也是在学习过程中。
class A
{
public:
    A(int a = 1) : m_a(a) {}
    ~A() {}
private:
    int m_a;
};

class B
{
public:
    B() {}
    B(A a) : m_a(a) {}
    ~B() {}
    void swap(B& rhs) noexcept {
        using std::swap;
        swap(m_a, rhs.m_a);
    }
    B(const B& b) noexcept {
        m_a = b.m_a;
    }
    B(B&& rhs) noexcept {
        swap(rhs);
    }
    B& operator=(const B& rhs) noexcept {
        m_a = rhs.m_a;
        return *this;
    }
    B& operator=(B&& rhs) noexcept {
        swap(rhs);
        return *this;
    }
private:
    A m_a;
};

void swap(B& a, B& b) {
    a.swap(b);
}
int main()
{
    B b(100);
    B b1 = b, b2;
    b2 = b;

    B b3(move(b));
    B b4;
    b4 = move(b2);

    B b5(200), b6(1000);
    swap(b5, b6);
}
不要返回临时变量的引用

刚学C++的时候，我就出现过把函数内的局部变量返回的情况，函数的返回值是一个引用。
比如说:
class A
{

};

A& f() {  // 编译不过
    return A();
}
因为 f() 函数内返回的A()，这个临时变量在f() 调用结束后就被销毁了，返回一个指向本地对象的引用属于未定义行为。
所以正确的写法应该是把& 去掉，A& f()改为A f(), C++11之前，编译器会自动把这个临时对象拷贝一份作为函数的返回值传递回来。
除非编译器发现可以做返回值优化（named return value optimization，或 NRVO)，能把对象直接构造到调用者的栈上。
从 C++11 开始，返回值优化仍可以发生，但在没有返回值优化的情况下，编译器将试图把本地对象移动出去，而不是拷贝出去。
返回值优化不需要我们去改move, 写了move反而弄巧成拙，会取消返回值优化。
class A
{
public:
    A() { cout << "A" << endl; }
    A(const A& a) { cout << "A&" << endl; }
    A(A&& a) { cout << "A&&" << endl; }
};

A f() {
    return A();
}

A f2() {
    return move(A());
}

int main()
{
    f();
    cout << "---------------" << endl;
    f2();
    return 0;
}
输出:
A
---------------
A
A&&
f()，编译器对返回值进行了优化，对象直接被构造到调用者的栈上（没有被拷贝和搬移）,
f2()，move 破坏了返回值优化，相对于f()，对象还被多搬移了一次，这个搬移属实没必要。
完美转发

void f2(int& a) {
    cout << "f2 int&" << endl;
}

void f2(int&& a) {
    cout << "f2 int&&" << endl;
}

void f(int& a) {
    cout << "int&" << endl;
}

void f(int&& a) {
    cout << "int&&" << endl;
    f2(a);
}

int main()
{
    int a = 1;
    f(move(a));
    return 0;
}
输出:
int&&
f2 int&
我们之前有说到，void f(int&& a)，a在f的函数体内又变成了左值，因为它是一个变量，那么我们怎么才能保证a原来是右值，进入函数体以后还是一个右值呢？
这就用到了完美转发，std::forward(), 我们把上述代码的
void f(int&& a) {
    cout << "int&&" << endl;
    f2(a);
}
改成
void f(int&& a) {
    cout << "int&&" << endl;
    f2(forward<int>(a));
}
输出:
int&&
f2 int&&
完美转发，forward是一个函数模板，我们则需要把类型传递进去，这个例子传递的是一个int类型。
好了，值分类和搬移先说到这里了，如果文章有错误的地方还请给我指出来，大家一起进步嘛。
如果觉得对你有帮助的话请@程序员杨小哥 点个赞，谢谢！

紫茶

prvalue: prue rvalue, 纯右值 -> prvalue: pure rvalue, 纯右值