C++11那些难事:左值引用、右值引用与完美转发

上一篇C++那些难事:左值与右值搞明白左值与右值,下面讲解左值引用与右值引用。

1. 左值引用与右值引用

左值右值一直存在,只从右值引用出现,这对CP变得重要起来,那么为什么要有右值引用?没有右值引用C++不是活得好好的吗?一切要从左值引用说起。
在C++11之前,没有左值引用与右值引用之分,引用专指左值引用。那个时候就出现了不和谐的情况。

#include <iostream>
using namespace std;

void Print(string& s){
    cout << s;
}

int main(){
    string s="abc";
    Print(s); // OK
    Print("abc"); // parse error
}

函数Print()能够打印s,却不能打印"abc"
自定义对象也会出现这种情况

#include <iostream>
using namespace std;

class Demo{};
void Func(Demo &){
  cout << "Func(Demo &)" << endl;
}

int main(){
    Demo d;
    Func(d); // OK
    Func(Demo()); // parse error
}

在上面代码中,Func(d);编译执行都OK,而Func(Demo());编译出错。
如果说上一个是因为类型不匹配(一个是string,一个是char []),这一次都是Demo对象。同样都是对象怎么待遇不一样?问题就在于d是左值(有名对象),Demo()是右值(匿名对象/临时对象)。

那么,之前为什么很多应用过程中没有大规模的出现这个问题?
因为C++对const&添加特殊技能:既能接受左值又能接受右值。上面两个例子把函数参数加上const,即void Print(const string& s)void Func(const Demo &),问题解决了。
void Func(const Demo &)类型匹配解决了,为什么void Print(const string& s)也可以了呢?因为编译器自动把根据函数参数类型string,自动为"abc"构造一个临时对象string("abc"),这是默认类型转换。

但是这种解决方式只是解决了参数不变的情况,如果参数可变问题依然存在。例如:
有一个用户类,记录用户名、密码和登录次数。

struct User{
  string name;
  string pass;
  int count;
}

提供一个函数bool Login(User& user);登录成功后,返回true,并且修改登录次数count

bool Login(User& user) {
    // 此处略去验证
    user.count++;
    return true
}

上面情况只能使用变量,不能使用右值(匿名对象),否则会出现上面的错误。但这种情况是存在的,只关注用户能否登录,不关心登录次数,使用右值(匿名对象),无可厚非,只是C++11之前语法不支持(实际中遇到这种请款,可以改设计改接口。)。于是,右值引用可以解决这种问题。重载上面的函数。

bool Login(User&& user) {
    // 此处略去验证
    user.count++;
    return true
}

这样Login()既可以接受左值又可以接受右值。

小测验

  1. 回答下面程序输出结果并分析原因(如有编译错误请指出)
#include <iostream>
using namespace std;

class Demo{};
void Func(const Demo &){
  cout << "Func(const Demo &)" << endl;
}

int main(){
    Demo d;
    Func(d);
    Func(Demo());
    const Demo cd;
    Func(cd);
}
  1. 回答下面程序输出结果并分析原因(如有编译错误请指出)
#include <iostream>
using namespace std;

class Demo{};
void Func(const Demo &){
  cout << "Func(const Demo &)" << endl;
}

void Func(Demo &){
  cout << "Func(Demo &)" << endl;
}

int main(){
    Demo d;
    Func(d);
    Func(Demo());
    const Demo cd;
    Func(cd);
}
  1. 回答下面程序输出结果并分析原因(如有编译错误请指出)
#include <iostream>
using namespace std;

class Demo{};
void Func(const Demo &){
  cout << "Func(const Demo &)" << endl;
}

void Func(Demo &){
  cout << "Func(Demo &)" << endl;
}

void Func(Demo &&){
  cout << "Func(Demo &&)" << endl;
}

int main(){
    Demo d;
    Func(d);
    Func(Demo());
    const Demo cd;
    Func(cd);
}

2. 完美转发

上面虽然把问题解决了,但是你会发现为了解决右值问题,每个函数都要写两边,并且函数名和函数体都一样,只是参数类型有区分,一个是左值,一个是右值。问题变得更加麻烦了。于是,在模板语法上添加了一个完美转发的语法。(C++滚雪球式添加新的语法,导致C++愈来愈复杂。)

上面两个Login()函数可以合并成

template<class T>
bool Login(T&& user) {
    // 此处略去验证
    user.count++;
    return true
}

注意,这里的&&已经不是右值引用了,而是被称为万能引用(universal references),而这种用法称为完美转发。
当传入右值时,模板特化成bool Login(User&& user),当传入左值时,模板特化成bool Login(User& user)。瞬间解决上面的问题。

&&在模板参数中表示万能引用,在非模板参数中表示右值引用。

上面讲完参数的事情,后面再谈一下右值中的动态内存[C++那些难事:移动拷贝与移动赋值]敬请期待。

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