右值和move 与 forward
作者：互联网
一、左值右值的总结
再次来写左值右值相关的东西我的内心是十分惴惴不安的，一来这些相关的概念十分不好理解，二来网上相关的文章实在太多了，多少人一看这类题目便大摇其头，三来也怕说不清反而误导了别人，反复纠缠这些似乎无关大雅的语言细节实在也有成为 language lawyer 之嫌。但我还是决定再总结一次，因为这是我一直以来学习新东西的一种方式，只有把学到的东西真正写清楚说明白了才是真的理解了，再者也希望自己的经验总结能帮助到有同样困惑的人。
左值右值
我们一直说左值右值，从 c++ 的术语角度来看，这其实并不十分准确，确切地说应该是左值表达式，右值表达式：表达式是有值的，值是有类型的，值是动态的，类型是静态的，这是基本的概念。而我们说的左值右值，是对值的一种分类，这两个称呼也是从 c 时代遗传下来的：左值是指能出现在等号左边的值，右值是指只能出现在等号右边的值。简单来说，左值就是我们平时定义的变量，右值就是一些临时变量。但到了 c++11，这个分类被细化扩充了，如下所示[N3690,3.10.1]:
因此：
一个表达式要么是一个 glvalue(generalized lvalue)，要么是一个 rvalue；一个 glvalue 要么是一个 lvalue，要么是一个 xvalue(expiring value)；一个 rvalue 要么是一个 xvalue，要么是一个 prvalue (pure rvalue)。
乍一看好像情况变得好复杂，其实不是，图中所说 lvalue 与 c 时代的 lvalue 几乎表达一个意思(不妨称为纯左值)，prvalue 与 c 时代的 rvalue 也几乎表达一个意思，所谓纯右值 (pure rvalue)，只是多了一个 xvalue，一个介于纯左传与纯右值之间的奇怪物种。本质上来说，xvalue 是 c 时代的 lvalue，它不是中间变量临时变量之类的没有名字的纯右值，之所以再创造出这样一个新的值类型是因为有些时候，我们希望能够将一个纯左值当成临时变量(纯右值)一样来使用，这种被当成纯右值来使用的左值就是 xvalue，说起来很绕，本质上 xvalue 就是一些从程序逻辑上看要 "过时" 的变量(expiring value)，它的名字也正是取义自这里。
xvalue 只能通过两种方式来获得，这两种方式都涉及到将一个左值赋给（转化为）一个右值引用[N3690,3.10.1]：
- 强制类型转化为右值引用，如
static_cast<T&&>(t);该表达式得到一个 xvalue。 - 返回类型为右值引用的函数调用，如,
T&& fun() { return t; };， 则调用 fun() 时， 返回一个 xvalue。
对于第 2 点，有一个与之类似的写法值得大家注意：如果一个函数的返回类型是左值引用，那么调用这个函数得到的返回值将是一个 lvalue[N3690,3.10.1]，之所以特别地说这个事，是因为如果一个函数的返回值不是引用类型，那调用这个函数得到的结果将是一个临时变量，是个右值，而且是纯右值(prvalue)，嗯，不要搞昏了。
值与引用
这是另外两个容易混为一谈的概念，引用在 c++ 里是一个很特别的东西，就我的理解，确切地说引用应是一种类型，和 int, float 等类似，比如说 T& t = v;, 则 t 是一个变量，它的类型是引用，指向一个左值，因此也称为左值引用，所以 t 本身是一个左值，类型是一个左值引用。与此相对应，我们也有右值引用: T&& t2 = fun();，同样的 t2 是一个左值，但它的类型是右值引用。所以，我们平时说的"引用"确切来说应该称作"引用变量"才准确，与"整型变量","字符变量"相对(N3690, 8.5.3.1)。当然引用变量这个说法比较牵强(甚至有些政治不正确)，毕竟它和一般变量相比实在太不相似了，比如它一般不占内存，比如对它取地址，得到的不是变量本身的地址，比如定义时必须初始化，且不能再次被赋值等等特殊之处，怎么看都是异类。很多人倾向于把引用与指针并论来理解，它们其实也不一样，虽然实现上基本可以认为引用是一个由编译器自动帮你解引用(deference)的指针。
需要注意的是，左值引用变量只能用左值(lvalue)来初始化，右值引用变量只能用右值(xvalue 及 prvalue)来初始化，唯一的例外是 const 类型的左值引用，它既能接受左值，也能接受右值。值得注意的是，引用对临时变量的生命周期是有影响的，如前面所说，临时变量是右值，当一个临时变量被一个引用(const 左值引用或右值引用)指向时，它的生命周期会被延长[N3690,12.2.5]。
关于右值引用，还有一个很容易让人迷惑的语义需要说一说，写法上定义一个右值引用变量的语法如右所示:some_type&& rv_ref = some_rvalue;，但这里要求 somt_type 必须是一个具体的完整的类型，而不能是模板参数，auto，或 decltype 等需要推导的类型，如果 T 是一个需要推导的类型，则 T&& u_t_ref 称为 universal reference 或 forwarding reference，根据 reference collapsing 原则及右值引用推导原则，u_t_ref 最后既可能是左值引用也可能是右值引用，具体可以参看这里。
move 与 forward
接下来是很多人特别关心的 std::move() 与 std::forward()，对这俩恰恰想总结的却不多，总的来说，以我的浅见，std::move() 的主要作用是将一个左值转为 xvalue, 它的实现，本质上就是一个 static_cast<>。而 std::forward() 则是用来配合 forwarding reference 实现完美转发，它主要的作用是将一个类型为引用(左值引用或右值引用)的左值（引用这个变量本身)，转化为它的类型所对应的值类型（解引用?)，这个说法实在是太无法理解太不知所云了，所以我放弃用自己的话来解释了，请参看 cppreference 上的例子。
move 语义
move 语义是一个大家一定要注意，接受，掌握，并理解好的东西。过去使用 c++ 98/03 我们常说 rule of three，即是：如果一个类定义了析构函数，拷贝构造函数，赋值构造函数之一，那么这三个函数都应该要明确定义，目的是为了确保该类的拷贝语义被正确地处理。
到了 c++11，这个 rule of three 得改成 rule of five。我们知道，一个类如果定义了拷贝构造函数和赋值构造函数，则我们称它为 copyable 的类。同理，如果一个类定义了 move constructor 和 move assignment operator，那么我们称它为 movable 的类。从使用上来说，右值引用是一个很 tricky 的东西，它的正确使用场合应该只有两个：一个是为自定义类型实现 move 语义，一个是配合 forwarding reference 来实现完美转发。当你考虑写一个以右值引用作为参数类型的一般函数时，往往这是错误的开始，正确的作法是为相应的类型定义 move 语义，具有 move 语义的类型在作为参数传递时，要么直接传值(sink parameter)，要么传 const 左值引用(read only)，根本不需要右值引用这种 tricky 的东西.[2]
因此，能够在适当时候为自定义类型实现 move 语义是一个基本素质，就正如以前处理 copy 语义一样(会不会将一个类继承自 boost::noncopyable 也是基本素质)。STL 中所有的容器算法都妥善定义了对适用类型 move 语义的要求，如只适用于 copyable，或只适用于 movable 等，容器本身更都是 movable 的。一般来说，move 是一个更轻量的操作，对容器其实更友好（内部 copy 可以改为 move，效率更高)，比如 vector<>，以前要求其所保存类型必须 copyable，现在 c++11 以后，只 movable(且 noexcept)的类型也被允许了(当然此时用户就不能调用那些需要 copy 的操作了)。所以，明确定义好自定义类型的 move 语义，意义是很大的。
二、move和forward详解
1. move
关于 lvaue 和 rvalue，在 c++11 以前存在一个有趣的现象：T& 指向 lvalue (左传引用)， const T& 既可以指向 lvalue 也可以指向 rvalue。但却没有一种引用类型，可以限制为只指向 rvalue。这乍看起来好像也不是很大的问题，但实际与看起来不一样，右值引用的缺失有时严重限制了我们在某些情况下，写出更高效的代码。举个粟子，假设我们有一个类，它包含了一些资源：
1 class holder
2 {
3 public:
4
5 holder()
6 {
7 resource_ = new Resource();
8 }
9 ~holder()
10 {
11 delete resource_;
12 }
13
14 holder(const holder& other)
15 {
16 resource_ = new Resource(*other.resource_);
17 }
18
19 holder(holder& other)
20 {
21 resource_ = new Resource(*other.resource_);
22 }
23
24 holder& operator=(const holder& other)
25 {
26 delete resource_;
27 resource_ = new Resource(*other.resource_); return *this;
28 }
29 holder& operator=(holder& other)
30 {
31 delete resource_;
32 resource_ = new Resource(*other.resource_); return *this;
33 }
34 private:
35
36 Resource* resource_;
37 };
这是个 RAII 类，构造函数与析构函数分别负责资源的获取与释放，因此也相应处理了拷贝构造函数 (copy constructor) 和重载赋值操作符 (assignment operator)，现在假设我们这样来使用这个类。
1 // 假设存在如下一个函数，返回值为 holder 类型的临时变量
2 holder get_holder() { return holder(); }
3
4 holder h;
5 foo(h);
6 h = get_holder();
理想情况下（不考虑返回值优化等因素)，这一小段代码的最后一条语句做了如下三件事情：
1) 销毁 h 中的资源。
2) 拷由 get_holder() 返回的资源。
3) 销毁 get_holder() 返回的资源。
显然我们可以发现这些事情中有些是不必要的：假如我们可以直接交换 h 中的资源与 get_holder() 返回的对象中的资源，那我们就可以直接省略掉第二步中的拷贝动作了。而这里之所以交换能达到相同的效果，是因为 get_holder() 返回的是临时的变量，是个 rvalue，它的生命周期通常来说很短，具体在这里，就是赋值语句完成之后，任何人都没法再引用该 rvalue，它马上就要被销毁了，它所包含的资源也无法再被访问。而如果是像下面这样的用法，我们显然不可以直接交换两者的资源：
1 holder h1; 2 holder h2; 3 4 h1 = h2; 5 6 foo(h2);
因为 h2 是个 lvalue，它的生命周期较长，在赋值语句结束之后，变量仍然存在，还有可能要被别的地方使用。因此，rvalue 的短生命周期给我们提供了在某些情况优化代码的可能。但这种可能在 c++11 以前是没法利用到的，因为我们没法在代码中对 rvalue 区别对待：在函数体中，程序员无法分辨传进来的参数到底是不是 rvalue，我们缺少一个 rvalue 的标记。
回忆一下，T& 指向的是 lvalue，而 const T& 指向的，却可能是 lvalue 或 rvalue，我们没有任何方式能够确认当前参数是不是 rvalue！为了解决这个问题，c++11 中引入了一个新的引用类型: some_type_t &&，这种引用指向的变量是个 rvalue， 有了这个引用类型，我们前面提到的问题就迎刃而解了。
1 class holder
2 {
3 public:
4
5 holder()
6 {
7 resource_ = new Resource();
8 }
9 ~holder()
10 {
11 if (resource_) delete resource_;
12 }
13
14 holder(const holder& other)
15 {
16 resource_ = new Resource(*other.resource_);
17 }
18
19 holder(holder& other)
20 {
21 resource_ = new Resource(*other.resource_);
22 }
23
24 holder(holder&& other)
25 {
26 resource_ = other.resource_;
27 other.resource_ = NULL;
28 }
29
30 holder& operator=(const holder& other)
31 {
32 delete resource_;
33 resource_ = new Resource(*other.resource_); return *this;
34 }
35
36 holder& operator=(holder& other)
37 {
38 delete resource_;
39 resource_ = new Resource(*other.resource_); return *this;
40 }
41
42 holder& operator=(holder&& other)
43 {
44 std::swap(resource_, other.resource_); return *this;
45 }
46
47 private:
48
49 Resource* resource_;
50 };
因为有了右值引用，当我们再写如下代码的时候：
1 holder h1; 2 holder h2; 3 4 h1 = h2; // 调用operator(holder&); 5 h1 = get_holder(); // 调用operator(holder&&)
编译器就能根据当前参数的类型选择相应的函数，显然后者的实现是更高效的。写到里，有的人也许会有疑问: some_type_t&& ref 指向的是右值（右值引用），那 ref 本身在函数内是左值还是右值？具体来说就是如下代码中，第三行所调用的是 operator=(holder&) 还是 operator=(holder&&)?
1 holder& operator=(holder&& other)
2 {
3 holder h = other;4 return *this;
4 }
这个问题的本质还是怎么区分 rvalue？ c++11 中对 rvalue 作了明确的定义：
1 Things that are declared as rvalue reference can be lvalues or rvalues. The distinguishing criterion is: if it has a name, then it is an lvalue. Otherwise, it is an rvalue.
如果一个变量有名字，它就是 lvalue，否则，它就是 rvalue。根据这样的定义，上面的问题中，other 是有名字的变量(变量的类型是右值引用），因此是个 lvalue，因此第3行调用的是 operator=(holder&)。好了说了这么久，一直没说到 move()，现在我们来给出它的定义：
1 c++11 中的 move() 是这样一个函数，它接受一个参数，然后返回一个该参数对应的右值引用.
就这么简单！你甚至可以暂时想像它的原型是这样的(当然是错的，正确的原型我们后面再讲)。
1 T&& move(T& val);
那么，这样一个 move() 函数，它有什么使用呢？用处大了！回到前面例子，我们用到了 std::swap() 这个函数，回想一下以前我们是怎么想来实现 swap 的呢？
1 void swap(T& a, T& b)
2 {
3 T tmp = a;
4 a = b;
5 b = tmp;
6 }
想像一下，如果 T 是我们之前定义的 holder，这里面就多做了很多无用功，每一个赋值语句，就有一次资源销毁以及一次拷贝！而事实上我们只是要交换 a 与 b 的内容，中间的拷贝都是额外的负担，完全可以考虑消除这些无用功。
1 void swap(T& a, T& b)
2 {
3 T tmp = move(a);
4 a = move(b);
5 b = move(tmp);
6 }
这样一来，如果 holder 提供了 operator=(T&&) 重载，上述操作就相当于只是交换了三次指针，效率大大提升！move() 使得程序员在有需要的情况下能把 lvalue 当成右值来对待。
2. forward()
1. 转发问题
除了 move() 语义之外，右值引用的提出还解决另一个问题：完美转发 (perfect forwarding)，转发问题针对的是模板函数，这些函数主要处理的是这样一个问题：假设我们有这样一个模板函数，它的作用是：缓存一些 object，必要的时候创建新的。
1 template<class TYPE, class ARG>
2 TYPE* acquire_obj(ARG arg)
3 {
4 static list<TYPE*> caches;
5 TYPE* ret;
6
7 if (!caches.empty())
8 {
9 ret = caches.pop_back();
10 ret->reset(arg);
11 return ret;
12 }
13
14 ret = new TYPE(arg);
15 return ret;
16 }
这个模板函数的作用简单来说，就是转发一下参数 arg 给 TYPE 的 reset() 函数和构造函数，除此它就没再干别的事情，在这个函数当中，我们用了值传递的方式来传递参数，显然是比较低效的，多了次没必要的拷贝，于是我们准备改成传递引用的方式，同时考虑到要能接受 rvalue 作为参数，最后做出艰难的决定改成如下样子：
1 template<class TYPE, class ARG>
2 TYPE* acquire_obj(const ARG& arg)
3 {
4 //...
5 }
但这样写很不灵活：
1) 首先，如果 reset() 或 TYPE 的构造函数不接受 const 类型的引用，那上述的函数就不能使用了，必须另外提供非 const TYPE& 的版本，参数一多的话，很麻烦。
2) 其次，如果 reset() 或 TYPE 的构造函数能够接受 rvalue 作为参数的话，这个特性在 acquire_obj() 里头也永远用不上。其中1) 好理解，2) 是什么意思？
3) 说的是这样的问题，即使 TYPE 存在 TYPE(TYPE&& other) 这样的构造函数，它在上述 acquire_obj() 中也永远不会被调用，原因是在 acquire_obj() 中，传递给 TYPE 构造函数的，永远是 lvalue（因为 arg 有名字），哪怕外面调用 acquire_obj() 时，用户传递进来的是 rvalue，请看如下示例：
1 holder get_holder(); 2 3 holder* h = acquire_obj<holder, holder>(get_holder());
虽然在上面的代码中，我们传递给 acquire_obj() 的是一个 rvalue，但是在 acuire_obj() 内部，我们再使用这个参数时，它却永远是 lvalue，因为它有名字 --- 有名字的就是 lvalue。acquire_obj() 这个函数它的基本功能本来只是传发一下参数，理想状况下它不应该改变我们传递的参数的类型：假如我们传给它 lvalue，它就应该传 lvalue 给 TYPE，假如我们传 rvalue 给它，它就应该传 rvalue 给 TYPE，但上面的写法却没有做到这点，而在 c++11 以前也没法做到。forward() 函数的出现，就是为了解决这个问题。
forward() 函数的作用：它接受一个参数，然后返回该参数本来所对应的类型的引用。
2. 两个原则
C++11 引入了右值引用的符号：&&，从前面一路看下来，可能有人已经习惯了一看到 T&& 就以为这是右值引用，这确实很容易误解，但事实是，T&& 为右值引用只有当 T 为一个具体的类型时才成立，而如果 T 是推导类型时（如模板参数, auto 等）这就不一定了，比如说如下代码中的 ref_int，根据定义这个变量的类型必定是一个右值引用，但模板函数 func 的参数 arg 则不定是右值引用了，因为此时 T 是一个推导类型。
1 int&& ref_int = get_int();
2
3 template <typename T>
4 void func(T&& arg)
5 {
6 }
Scott Meyer 曾对 T&& 这个特殊的东西作过一个专门的演讲，他称 T&& 为 universal reference（更新：不久后，c++ 社区认为叫作 forwarding reference 更准确），Universal reference 被实例化后(instantiate)，即可能是一个左值引用，也可能是一个右值引用，具体来说，对于推导类型 T, 如果 T&& v 被一个左值初始化，那 v 就是左值引用，如果 v 被右值初始化，那它就是右值引用，很神奇！实现这是怎么做到的呢？主要来说，在参数类型推导上，c++11 加入了如下两个原则：
原则 (1):
引用折叠原则 (reference collapsing rule)，注意，以下条目中的 T 为具体类型，不是推导类型。
1) T& & (引用的引用) 被转化成 T&.
2）T&& & (rvalue的引用）被传化成 T&.
3) T& && (引用作rvalue) 被转化成 T&.
4) T&& && 被转化成 T&&.
原则 (2)：
对于以 rvalue reference 作为参数的模板函数，它的参数推导也有一个特殊的原则，假设函数原型为：
1 template<class TYPE, class ARG> 2 TYPE* acquire_obj(ARG&& arg);
1) 如果我们传递 lvalue 给 acquire_obj()，则 ARG 就会被推导为 ARG&，因此如下代码的第二行，acquire_obj 被推导为: TYPE* acquire_obj(ARG& &&)。
1 ARG arg; 2 acquire_obj(arg);
然后根据前面说的折叠原则，我们得到原型如下的函数： TYPE* acquire_obj(ARG&);
2) 如果我们如下这样传递 rvalue 给 acquire_obj()，则 ARG 就会被推导为 ARG。
acquire_obj(get_arg());
最后，模板函数实例化为原型如下的函数：TYPE* acquire_obj(ARG&&);
综上讨论可见，原则 2 其实是有些令人讨厌的，它与一般模板函数的参数类型推导并不一致，甚至可以说有些相背(主要在于 top level cv removal principle)，这些随处可见的例外增加了语言的复杂性，加大了学习和记忆的难度，是如此令人讨厌，但在 c++ 中这种现象又那么常见，真是无奈。
3.结论
有了以上两个原则，现在我们可以给出理想的 acquire_obj() 原型，以及 forward() 原型。
1 template<class TYPE>
2 TYPE&& forward(typename remove_reference<TYPE>::type& arg)
3 {
4 return static_cast<TYPE&&>(arg);
5 }
6
7 template<class TYPE, class ARG>
8 TYPE* acquire_obj(ARG&& arg)
9 {
10 return new TYPE(forward<ARG>(arg));
11 }
注意上面 forward 的原型，这里只给出了参数是左值引用的原型，其实还有一个接受右值引用的重载（用来处理传入的参数是右值的情况）。另外需要额外注意的是，forward 的模板参数类型 TYPE 与该函数的参数类型并不直接等价，因此无法根据传入的参数推导模板参数，使得调用方必需显式地指定模板参数的类型，如： forward<ARG>(xx)，否则会有编译错误。
下面我们验证一下，上述函数是否能正常工作，假如我们传给 acquire_obj() 一个 lvalue，根据上面说的模板推导原则 2，ARG 会被推导为 ARG&，我们得到如下函数：
1 TYPE* acquire_obj(ARG& && arg)
2 {
3 return new TYPE(forward<ARG&>(arg));
4 }
5
6 以及相应的 forward()函数。
7
8 TYPE& &&
9 forward(typename remove_reference<TYPE&>::type& arg)
10 {
11 return static_cast<TYPE& &&>(arg);
12 }
13
14 再根据折叠原则，我们得到如下的函数：
15 TYPE* acquire_obj(ARG& arg)
16 {
17 return new TYPE(forward<ARG&>(arg));
18 }
19
20 以及相应的forward()函数。
21
22 TYPE& forward(typename remove_reference<TYPE&>::type& arg)
23 {
24 return static_cast<TYPE&>(arg);
25 }
所以，最后在 acquire_obj 中，forward 返回了一个 lvalue 引用, TYPE 的构造函数接受了一个 lvaue 引用， 这正是我们所想要的。 而假如我们传递给 acquire_obj 一个 rvalue 的参数，根据模板推导原则，我们知道 ARG 会被推导为 ARG，于是得到如下函数：
1 TYPE* acquire_obj(ARG&& arg)
2 {
3 return new TYPE(forward<ARG>(arg));
4 }
5
6 以及相应的 forward() 函数。
7
8 TYPE&& forward(typename remove_reference<TYPE>::type& arg)
9 {
10 return static_cast<TYPE&&>(arg);
11 }
最后 acquire_obj() 中 forward() 返回了一个 rvalue reference，TYPE 的构造函数接受了一个 rvalue，也是我们所想要的。可见，上面的设计完成了我们所想要的功能，这时的 acquire_obj() 函数才是完美的转发函数。
3.move的原型
显然，move() 必定是一个模板函数，它的参数类型推导完全遵循前面提到两个原则，这就是为何我把它的原型放到现在才写出来，用心良苦啊。
1 template<class T>
2 typename remove_reference<T>::type&&
3 std::move(T&& a)
4 {
5 typedef typename remove_reference<T>::type&& RvalRef;
6 return static_cast<RvalRef>(a);
7 }
根据模板推导原则和折叠原则，我们很容易验证，无论是给 move 传递了一个 lvalue 还是 rvalue，最终返回的，都是一个rvalue reference。而这正是 move 的意义，得到一个 rvalue 的引用。看到这里有人也许会发现，其实就是一个 cast 嘛，确实是这样，直接用 static_cast 也是能达到同样的效果，只是 move 更具语义罢了。
参考：https://www.cnblogs.com/catch/p/3507883.html
https://www.cnblogs.com/catch/p/5019402.html
标签：move,右值,TYPE,rvalue,引用,&&,forward,holder 来源： https://www.cnblogs.com/MrLiuZF/p/13977631.html