现代 C++：右值引用、移动语意、完美转发

右值引用（rvalue reference）是 C++11 为了实现移动语意（move semantic）和完美转发（perfect forwarding）而提出来的。

右值引用，简单说就是绑定在右值上的引用。右值的内容可以直接移动（move）给左值对象，而不需要进行开销较大的深拷贝（deep copy）。

移动语义

下面这个例子：

1. v2 = v1 调用的是拷贝赋值操作符，v2 复制了 v1 的内容 —— 复制语义。
2. v3 = std::move(v1) 调用的是移动赋值操作符，将 v1 的内容移动给 v3 —— 移动语义。

  std::vector v1{1, 2, 3, 4, 5}; 
  std::vector v2; 
  std::vector v3; 

  v2 = v1; 
  std::cout << v1.size() << std::endl;  // 输出 5
  std::cout << v2.size() << std::endl;  // 输出 5

  v3 = std::move(v1); // move
  std::cout << v1.size() << std::endl;  // 输出0
  std::cout << v3.size() << std::endl;  // 输出 5

为了实现移动语意，C++ 增加了与拷贝构造函数（copy constructor）和拷贝赋值操作符（copy assignment operator）对应的移动构造函数（move constructor）和移动赋值操作符（move assignment operator），通过函数重载机制来确定应该调用拷贝语意还是移动语意（参数是左值引用就调用拷贝语意；参数是右值引用就调用移动语意）。
再来看一个简单的例子：

#include 
#include 
#include 

class Foo {
 public:
  // 默认构造函数
  Foo() { std::cout << "Default Constructor: " << Info() << std::endl; }

  // 自定义构造函数
  Foo(const std::string& s, const std::vector& v) : s_(s), v_(v) {
    std::cout << "User-Defined Constructor: " << Info() << std::endl;
  }

  // 析构函数
  ~Foo() { std::cout << "Destructor: " << Info() << std::endl; }

  // 拷贝构造函数
  Foo(const Foo& f) : s_(f.s_), v_(f.v_) {
    std::cout << "Copy Constructor: " << Info() << std::endl;
  }

  // 拷贝赋值操作符
  Foo& operator=(const Foo& f) {
    s_ = f.s_;
    v_ = f.v_;
    std::cout << "Copy Assignment: " << Info() << std::endl;
    return *this;
  }

  // 移动构造函数
  Foo(Foo&& f) : s_(std::move(f.s_)), v_(std::move(f.v_)) {
    std::cout << "Move Constructor: " << Info() << std::endl;
  }

  // 移动赋值操作符
  Foo& operator=(Foo&& f) {
    s_ = std::move(f.s_);
    v_ = std::move(f.v_);
    std::cout << "Move Assignment: " << Info() << std::endl;
    return *this;
  }

  std::string Info() {
    return "{" + (s_.empty() ? "'empty'" : s_) + ", " +
           std::to_string(v_.size()) + "}";
  }

 private:
  std::string s_;
  std::vector v_;
};

int main() {
  std::vector v(1024);

  std::cout << "================ Copy =======================" << std::endl;
  Foo cf1("hello", v);
  Foo cf2(cf1);  // 调用拷贝构造函数
  Foo cf3;
  cf3 = cf2;  // 调用拷贝赋值操作符
  
  std::cout << "================ Move =========================" << std::endl;
  Foo f1("hello", v);
  Foo f2(std::move(f1));  // 调用移动构造函数
  Foo f3;
  f3 = std::move(f2);  // 调用移动赋值操作符
  return 0;
}

简单封装了一个类 Foo，重点是实现：

• 拷贝语意：拷贝构造函数 Foo(const Foo&) 、拷贝赋值操作符 Foo& operator=(const Foo&) 。
• 移动语意：移动构造函数 Foo(Foo&&) 、移动赋值操作符 Foo& operator=(Foo&&) 。

拷贝语意相信大部分人都比较熟悉了，也比较好理解。在这个例子中，每次都会拷贝 s_ 和 v_ 两个成员，最后 cf1、cf2、cf3 三个对象的内容都是一样的。
每次执行移动语意，是分别调用 s_ 和 v_ 的移动语意函数——理论上只需要对内部指针进行修改，所以效率较高。执行移动语意的代码片段了出现了一个标准库中的函数 std::move —— 它可以将参数强制转换成一个右值。本质上是告诉编译器，我想要 move 这个参数——最终能不能 move 是另一回事——可能对应的类型没有实现移动语意，可能参数是 const 的。
有一些场景可能拿到的值直接就是右值，不需要通过 std::move 强制转换，比如：

Foo GetFoo() {
  return Foo("GetFoo", std::vector(11));
}
....
Foo f3("world", v3);
....
f3 = GetFoo(); // GetFoo 返回的是一个右值，调用移动赋值操作符

完美转发

C++ 通过了一个叫 std::forward 的函数模板来实现完美转发。这里直接使用 Effective Modern C++ 中的例子作为说明。在前面的例子上，我们增加如下的代码：

// 接受一个 const 左值引用
void Process(const Foo& f) {
  std::cout << "lvalue reference" << std::endl;
  // ...
}

// 接受一个右值引用
void Process(Foo&& f) {
  std::cout << "rvalue reference" << std::endl;
  // ...
}

template 
void LogAndProcessNotForward(T&& a) {
  std::cout << a.Info() << std::endl;
  Process(a); 
}

template 
void LogAndProcessWithForward(T&& a) {
  std::cout << a.Info() << std::endl;
  Process(std::forward(a));
}

 LogAndProcessNotForward(f3);                         // 输出 lvalue reference
 LogAndProcessNotForward(std::move(f3));  // 输出 lvalue reference

 LogAndProcessWithForward(f3);                        // 输出 lvalue reference
 LogAndProcessWithForward(std::move(f3));  // 输出 rvalue reference

• LogAndProcessNotForward(f3); 和 LogAndProcessWithForward(f3); 都输出 "lvalue reference"，这一点都不意外，因为 f3 本来就是一个左值。
• LogAndProcessNotForward(std::move(f3)); 输出 "lvalue reference" 是因为虽然参数 a 绑定到一个右值，但是参数 a 本身是一个左值。
• LogAndProcessWithForward(std::move(f3)); 使用了 std::forward 对参数进行转发，std::forward 的作用就是：当参数是绑定到一个右值时，就将参数转换成一个右值。

左值？右值？

到底什么时候是左值？什么时候是右值？是不是有点混乱？
在 C++ 中，每个表达式（expression）都有两个特性：

1. has identity? —— 是否有唯一标识，比如地址、指针。有唯一标识的表达式在 C++ 中被称为 glvalue（generalized lvalue）。
2. can be moved from? —— 是否可以安全地移动（编译器）。可以安全地移动的表达式在 C++ 中被成为 rvalue。

根据这两个特性，可以将表达式分成 4 类：

1. has identity and cannot be moved from - 这类表达式在 C++ 中被称为 lvalue。
2. has identity and can be moved from - 这类表达式在 C++ 中被成为 xvalue（expiring value）。
3. does not have identity and can be moved from - 这类表达式在 C++ 中被成为 prvalue（pure rvalue）。
4. does not have identity and cannot be moved -C++ 中不存在这类表达式。

简单总结一下这些 value categories 之间的关系：

1. 可以移动的值都叫 rvalue，包括 xvalue 和 prvalue。
2. 有唯一标识的值都叫 glvalue，包括 lvalue 和 xvalue。
3. std::move 的作用就是将一个 lvalue 转换成 xvalue。

这些概念其实有点绕。不过就算不是特别清楚这些概念，也不影响我们对移动语义的利用。

参考文档

• 维基百科：右值引用
• Value categories