T&&（双与号）在 C++11 中是什么意思？

Question

我一直在研究 C++11 的一些新特性，我注意到的一个是声明变量时的双与号，比如T&& var 。

首先，这只野兽叫什么？ 我希望谷歌允许我们搜索这样的标点符号。

究竟是什么意思？

乍一看，它似乎是一个双引用（如 C 风格的双指针T** var ），但我很难想到一个用例。

Answer 1

它声明了一个右值引用（标准提案文档）。

这是对右值引用的介绍。

这是 Microsoft 的标准库开发人员之一对右值引用的精彩深入研究。

注意： MSDN 上的链接文章（“Rvalue 引用：VC10 中的 C++0x 特性，第 2 部分”）是对 Rvalue 引用的非常清楚的介绍，但对 C++11 草案中曾经正确的 Rvalue 引用进行了陈述标准，但不是最后一个！ 具体来说，它在各个方面都说右值引用可以绑定到左值，这曾经是正确的，但已更改。（例如 int x; int &&rrx = x; 不再在 GCC 中编译）–drewbarbs 2014 年 7 月 13 日 16:12

C++03 引用（现在在 C++11 中称为左值引用）之间的最大区别在于它可以像临时对象一样绑定到右值，而不必是 const。 因此，这种语法现在是合法的：

T&& r = T();

右值引用主要提供以下内容：

移动语义。 现在可以定义移动构造函数和移动赋值运算符，它们采用右值引用而不是通常的 const-lvalue 引用。 移动的功能与副本类似，只是它不必保持源不变； 事实上，它通常会修改源，使其不再拥有移动的资源。 这对于消除无关副本非常有用，尤其是在标准库实现中。

例如，复制构造函数可能如下所示：

foo(foo const& other)
{
    this->length = other.length;
    this->ptr = new int[other.length];
    copy(other.ptr, other.ptr + other.length, this->ptr);
}

如果此构造函数传递了一个临时对象，则副本将是不必要的，因为我们知道临时对象将被销毁； 为什么不利用已经分配的临时资源呢？ 在 C++03 中，没有办法阻止复制，因为我们无法确定我们是否被传递了一个临时的。 在 C++11 中，我们可以重载移动构造函数：

foo(foo&& other)
{
   this->length = other.length;
   this->ptr = other.ptr;
   other.length = 0;
   other.ptr = nullptr;
}

注意这里的巨大差异：移动构造函数实际上修改了它的参数。 这将有效地将临时对象“移动”到正在构造的对象中，从而消除不必要的副本。

移动构造函数将用于临时和非常量左值引用，这些引用使用std::move函数显式转换为右值引用（它只是执行转换）。 以下代码均调用f1和f2的移动构造函数：

foo f1((foo())); // Move a temporary into f1; temporary becomes "empty"
foo f2 = std::move(f1); // Move f1 into f2; f1 is now "empty"

完美转发。 右值引用允许我们正确地转发模板化函数的参数。 以这个工厂函数为例：

template <typename T, typename A1>
std::unique_ptr<T> factory(A1& a1)
{
    return std::unique_ptr<T>(new T(a1));
}

如果我们调用factory<foo>(5) ，参数将被推导出为int& ，它不会绑定到文字 5 ，即使foo的构造函数采用int 。 好吧，我们可以改为使用A1 const& ，但是如果foo通过非常量引用获取构造函数参数怎么办？ 为了创建一个真正通用的工厂函数，我们必须在A1&和A1 const&上重载工厂。 如果工厂采用 1 个参数类型，那可能没问题，但是每个额外的参数类型都会将必要的重载集乘以 2。这很快就无法维护。

右值引用通过允许标准库定义可以正确转发左值/右值引用的std::forward函数来解决这个问题。 有关std::forward如何工作的更多信息，请参阅此优秀答案。

这使我们能够像这样定义工厂函数：

template <typename T, typename A1>
std::unique_ptr<T> factory(A1&& a1)
{
    return std::unique_ptr<T>(new T(std::forward<A1>(a1)));
}

现在参数的右值/左值在传递给T的构造函数时被保留。 这意味着如果用右值调用 factory，则用右值调用T的构造函数。 如果用左值调用 factory，则用左值调用T的构造函数。 改进后的工厂函数由于一条特殊规则而起作用：

当函数参数类型为T&&形式，其中T是模板参数，并且函数参数是类型A的左值时，类型A&用于模板参数推导。

因此，我们可以像这样使用工厂：

auto p1 = factory<foo>(foo()); // calls foo(foo&&)
auto p2 = factory<foo>(*p1);   // calls foo(foo const&)

重要的右值引用属性：

• 对于重载解析，左值更喜欢绑定到左值引用，而右值更喜欢绑定到右值引用。 因此，为什么临时对象更喜欢调用移动构造函数/移动赋值运算符而不是复制构造函数/赋值运算符。
• 右值引用将隐式绑定到右值和作为隐式转换结果的临时变量。 即float f = 0f; int&& i = f; float f = 0f; int&& i = f; 格式良好，因为 float 可以隐式转换为 int； 引用将是一个临时的，它是转换的结果。
• 命名的右值引用是左值。 未命名的右值引用是右值。 这对于理解为什么std::move调用是必要的很重要： foo&& r = foo(); foo f = std::move(r); foo&& r = foo(); foo f = std::move(r);

Answer 2

它表示一个右值引用。 除非明确生成，否则右值引用只会绑定到临时对象。 它们用于在某些情况下使对象更有效率，并提供一种称为完美转发的工具，这大大简化了模板代码。

在 C++03 中，您无法区分非可变左值和右值的副本。

std::string s;
std::string another(s);           // calls std::string(const std::string&);
std::string more(std::string(s)); // calls std::string(const std::string&);

在 C++0x 中，情况并非如此。

std::string s;
std::string another(s);           // calls std::string(const std::string&);
std::string more(std::string(s)); // calls std::string(std::string&&);

考虑这些构造函数背后的实现。 在第一种情况下，字符串必须执行复制以保留值语义，这涉及新的堆分配。 然而，在第二种情况下，我们事先知道传递给我们的构造函数的对象将立即被销毁，并且它不必保持不变。 在这种情况下，我们可以有效地只交换内部指针而不执行任何复制，这实际上效率更高。 移动语义有益于任何具有昂贵或禁止复制内部引用资源的类。 考虑std::unique_ptr的情况 - 现在我们的类可以区分临时和非临时，我们可以使移动语义正确工作，从而使unique_ptr无法复制但可以移动，这意味着std::unique_ptr可以合法地存储在标准容器中，排序等，而 C++03 的std::auto_ptr不能。

现在我们考虑右值引用的另一种用途——完美转发。 考虑将引用绑定到引用的问题。

std::string s;
std::string& ref = s;
(std::string&)& anotherref = ref; // usually expressed via template

不记得 C++03 对此是怎么说的，但在 C++0x 中，处理右值引用时的结果类型至关重要。 对类型 T 的右值引用（其中 T 是引用类型）成为类型 T 的引用。

(std::string&)&& ref // ref is std::string&
(const std::string&)&& ref // ref is const std::string&
(std::string&&)&& ref // ref is std::string&&
(const std::string&&)&& ref // ref is const std::string&&

考虑最简单的模板函数——min 和 max。 在 C++03 中，您必须手动重载 const 和非常量的所有四种组合。 在 C++0x 中，它只是一种重载。 结合可变参数模板，这可以实现完美转发。

template<typename A, typename B> auto min(A&& aref, B&& bref) {
    // for example, if you pass a const std::string& as first argument,
    // then A becomes const std::string& and by extension, aref becomes
    // const std::string&, completely maintaining it's type information.
    if (std::forward<A>(aref) < std::forward<B>(bref))
        return std::forward<A>(aref);
    else
        return std::forward<B>(bref);
}

我省略了返回类型推导，因为我不记得它是如何临时完成的，但是 min 可以接受左值、右值、常量左值的任何组合。

Answer 3

当与类型推导（例如完美转发）一起使用时， T&&的术语通俗地称为转发引用。 “通用参考”一词是 Scott Meyers 在这篇文章中创造的，但后来有所改变。

那是因为它可能是 r 值或 l 值。

例子是：

// template
template<class T> foo(T&& t) { ... }

// auto
auto&& t = ...;

// typedef
typedef ... T;
T&& t = ...;

// decltype
decltype(...)&& t = ...;

更多讨论可以在以下答案中找到： 通用引用的语法

Answer 4

右值引用是一种行为很像普通引用 X& 的类型，但有几个例外。 最重要的一点是，当涉及到函数重载解析时，左值更喜欢旧式左值引用，而右值更喜欢新式右值引用：

void foo(X& x);  // lvalue reference overload
void foo(X&& x); // rvalue reference overload

X x;
X foobar();

foo(x);        // argument is lvalue: calls foo(X&)
foo(foobar()); // argument is rvalue: calls foo(X&&)

那么什么是右值呢？ 任何不是左值的东西。 左值是一个引用内存位置的表达式，并允许我们通过 & 运算符获取该内存位置的地址。

首先通过一个例子来理解右值的作用几乎更容易：

 #include <cstring>
 class Sample {
  int *ptr; // large block of memory
  int size;
 public:
  Sample(int sz=0) : ptr{sz != 0 ? new int[sz] : nullptr}, size{sz} 
  {
     if (ptr != nullptr) memset(ptr, 0, sz);
  }
  // copy constructor that takes lvalue 
  Sample(const Sample& s) : ptr{s.size != 0 ? new int[s.size] :\
      nullptr}, size{s.size}
  {
     if (ptr != nullptr) memcpy(ptr, s.ptr, s.size);
     std::cout << "copy constructor called on lvalue\n";
  }

  // move constructor that take rvalue
  Sample(Sample&& s) 
  {  // steal s's resources
     ptr = s.ptr;
     size = s.size;        
     s.ptr = nullptr; // destructive write
     s.size = 0;
     cout << "Move constructor called on rvalue." << std::endl;
  }    
  // normal copy assignment operator taking lvalue
  Sample& operator=(const Sample& s)
  {
   if(this != &s) {
      delete [] ptr; // free current pointer
      size = s.size;

      if (size != 0) {
        ptr = new int[s.size];
        memcpy(ptr, s.ptr, s.size);
      } else 
         ptr = nullptr;
     }
     cout << "Copy Assignment called on lvalue." << std::endl;
     return *this;
  }    
 // overloaded move assignment operator taking rvalue
 Sample& operator=(Sample&& lhs)
 {
   if(this != &s) {
      delete [] ptr; //don't let ptr be orphaned 
      ptr = lhs.ptr;   //but now "steal" lhs, don't clone it.
      size = lhs.size; 
      lhs.ptr = nullptr; // lhs's new "stolen" state
      lhs.size = 0;
   }
   cout << "Move Assignment called on rvalue" << std::endl;
   return *this;
 }
//...snip
};     

构造函数和赋值运算符已被采用右值引用的版本重载。 右值引用允许函数在编译时（通过重载解析）在条件“我被左值还是右值调用？”的情况下进行分支。 这允许我们在上面创建更高效​​的构造函数和赋值运算符来移动资源而不是复制它们。

编译器在编译时自动分支（取决于它是为左值还是右值调用），选择是调用移动构造函数还是移动赋值运算符。

总结：右值引用允许移动语义（和完美转发，在下面的文章链接中讨论）。

一个实用且易于理解的示例是类模板std::unique_ptr 。 由于 unique_ptr 维护其底层原始指针的独占所有权，因此无法复制 unique_ptr。 这将违反他们的独占所有权不变式。 所以他们没有复制构造函数。 但他们确实有移动构造函数：

template<class T> class unique_ptr {
  //...snip
 unique_ptr(unique_ptr&& __u) noexcept; // move constructor
};

 std::unique_ptr<int[] pt1{new int[10]};  
 std::unique_ptr<int[]> ptr2{ptr1};// compile error: no copy ctor.  

 // So we must first cast ptr1 to an rvalue 
 std::unique_ptr<int[]> ptr2{std::move(ptr1)};  

std::unique_ptr<int[]> TakeOwnershipAndAlter(std::unique_ptr<int[]> param,\
 int size)      
{
  for (auto i = 0; i < size; ++i) {
     param[i] += 10;
  }
  return param; // implicitly calls unique_ptr(unique_ptr&&)
}

// Now use function     
unique_ptr<int[]> ptr{new int[10]};

// first cast ptr from lvalue to rvalue
unique_ptr<int[]> new_owner = TakeOwnershipAndAlter(\
           static_cast<unique_ptr<int[]>&&>(ptr), 10);

cout << "output:\n";

for(auto i = 0; i< 10; ++i) {
   cout << new_owner[i] << ", ";
}

output:
10, 10, 10, 10, 10, 10, 10, 10, 10, 10, 

static_cast<unique_ptr<int[]>&&>(ptr)通常使用std::move 完成

// first cast ptr from lvalue to rvalue
unique_ptr<int[]> new_owner = TakeOwnershipAndAlter(std::move(ptr),0);

Thomas Becker 的C++ Rvalue References Explained是一篇很好的文章，解释了所有这些以及更多（例如右值如何允许完美转发以及这意味着什么），并提供了许多很好的示例。 这篇文章在很大程度上依赖于他的文章。

一个简短的介绍是 Stroutrup 等人的A Brief Introduction to Rvalue References 。 阿尔