(十)C++中的左值lvalue右值rvaue

文章目录

- 1.C++中的变量名是如何存储及引用
- 2.C++中的左值与右值
- 3.右值引用
- 4.移动语义move函数
- 参考文献

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1.C++中的变量名是如何存储及引用

int a = 0;

如上，在C++中声明一个变量时，可以知道a是一个int类型的变量占用4个字节，其值为0,这里就有个疑问，如果a表示的变量占用了4个字节是其值的内存空间，那么a本身存储在哪里了呢？

在知乎上有这个问题，下面的回答内容也很好。简单来说就是，对于C/C++这种需要预处理/编译/汇编/链接的翻译成机器代码的语言，变量名不需要储存，只是为了方便程序员编程，在编译器编译时会确定每个变量的地址，所有的局部变量读写都会变成（栈地址 + 偏移）的形式。

int main() {
    int a = 0;
    return 0;
}

得到对应汇编代码如下：

(gdb) disassemble /m main
Dump of assembler code for function main:
   0x0000555555555129 <+0>:	    endbr64 
   0x000055555555512d <+4>:	    push   %rbp
   0x000055555555512e <+5>:	    mov    %rsp,%rbp
   0x0000555555555131 <+8>:	    movl   $0x1,-0x4(%rbp)
   0x0000555555555138 <+15>:    mov    $0x0,%eax
   0x000055555555513d <+20>:    pop    %rbp
   0x000055555555513e <+21>:    retq   
End of assembler dump.

可见只有指令，并没有变量的声明。当使用引用时，

int main() {
    int a = 0;
    int &b = a;
    return 0;
}

得到对应汇编代码如下：

(gdb) disassemble /m main
Dump of assembler code for function main:
   0x0000000000001149 <+0>:	    endbr64 
   0x000000000000114d <+4>:	    push   %rbp
   0x000000000000114e <+5>:	    mov    %rsp,%rbp
   0x0000000000001151 <+8>:	    sub    $0x20,%rsp
   0x0000000000001155 <+12>:    mov    %fs:0x28,%rax
   0x000000000000115e <+21>:    mov    %rax,-0x8(%rbp)
   0x0000000000001162 <+25>:    xor    %eax,%eax
   0x0000000000001164 <+27>:    movl   $0x1,-0x14(%rbp)
   0x000000000000116b <+34>:    lea    -0x14(%rbp),%rax
   0x000000000000116f <+38>:    mov    %rax,-0x10(%rbp)
   0x0000000000001173 <+42>:    mov    $0x0,%eax
   0x0000000000001178 <+47>:    ov    -0x8(%rbp),%rdx
   0x000000000000117c <+51>:    xor    %fs:0x28,%rdx
   0x0000000000001185 <+60>:    je     0x118c <main+67>
   0x0000000000001187 <+62>:    callq  0x1050 <__stack_chk_fail@plt>
   0x000000000000118c <+67>:    leaveq 
   0x000000000000118d <+68>:    retq   
End of assembler dump.

当使用指针时，

int main() {
    int a = 0;
    int *b = &a;
    return 0;
}

得到对应汇编代码如下：

(gdb) disassemble /m main
Dump of assembler code for function main:
   0x0000000000001149 <+0>:	    endbr64 
   0x000000000000114d <+4>:	    push   %rbp
   0x000000000000114e <+5>:	    mov    %rsp,%rbp
   0x0000000000001151 <+8>:	    sub    $0x20,%rsp
   0x0000000000001155 <+12>:	mov    %fs:0x28,%rax
   0x000000000000115e <+21>:	mov    %rax,-0x8(%rbp)
   0x0000000000001162 <+25>:	xor    %eax,%eax
   0x0000000000001164 <+27>:	movl   $0x1,-0x14(%rbp)
   0x000000000000116b <+34>:	lea    -0x14(%rbp),%rax
   0x000000000000116f <+38>:	mov    %rax,-0x10(%rbp)
   0x0000000000001173 <+42>:	mov    $0x0,%eax
   0x0000000000001178 <+47>:	mov    -0x8(%rbp),%rdx
   0x000000000000117c <+51>:	xor    %fs:0x28,%rdx
   0x0000000000001185 <+60>:	je     0x118c <main+67>
   0x0000000000001187 <+62>:	callq  0x1050 <__stack_chk_fail@plt>
   0x000000000000118c <+67>:	leaveq 
   0x000000000000118d <+68>:	retq   
End of assembler dump.

是的，没有看错，使用指针和引用得到了相同的汇编代码,

在这里插入图片描述

同样可以比较，函数里面用引用传参和指针传参，生成的汇编代码也是一样的。

// by pointer
void func1(int &a){}
int main() {
    int b = 0;
    int &a = b;
    func1(a);
    return 0;
}

// by reference
void func1(int *a){}
int main() {
    int b = 0;
    int *a = &b;
    func1(a);
    return 0;
}

因此，从汇编的角度来看，引用跟指针实际上就是同一个东西。引用和指针，更多的是编程语言语法方面的设计，也就是由编译器搞出来的概念，实际上它们最后生成的汇编代码是一样的。而只所以引入引用，据说是为了加运算符重载，没有引用的话，前自增<return type> operator ++(class T)的语义就难以说明清楚。必须在声明引用的同时就要对它初始化，并且，引用一经声明，就不可以再和其它对象绑定在一起了，这和指针常量int * const p有极大的相似之处。引用的一个优点是它一定不为空，因此相对于指针，它不用检查它所指对象是否为空，这增加了效率。

2.C++中的左值与右值

左值和右值是C++中的基本概念，简单来说，左值就是一个表达式等号左边的部分，右值就是等号右边的部分。如:

int a = 10; // a 是左值，10是右值
int b = a;  // b 是左值，a自动转为右值

如上，其实左值表示的是对象的引用，而右值正是被左值指向的对象。像变量名/数组下标/返回引用类型函数的返回值等都是左值，左值有对应确定的存储区域，因此可以取其地址。

而像字符串/数字/运算符或函数的运算结果都是右值，右值不需要在内存中存储，只是程序执行中的中间结果，无法寻址。

只有左值才能用在赋值表达式的左边，而右值必须和一个表达式的逻辑对应，因此只能存在于赋值表达式右边。像取地址符&/自增运算符++/自减运算符--都需要左值作为其参数。

返回引用的函数的调用产生的是左值，返回值的函数调用产生的是右值

#include <cstdio>
#include <cstring>

void printStr(std::string &s) {
    printf("%s\n", s.c_str());
}

std::string getValueString() {
    std::string s = "getValueString";
    return s;
}

std::string s;

std::string & getRefString() {
    s = "getRefString";
    return s;
}

int main() {
    getValueString() += " <==> ";// error, getValueString() is lvalue
    printfStr(getValueString()); // error, getValueString() is lvalue
    
    getRefString() += " <==> ";// correct, getRefString() is rvalue
    printfStr(getValueString()); // correct, getValueString() is rvalue
    // getRefString <==> getRefString
}

左值可以自动隐式转为右值，但右值无法隐式转为左值

int a = 10;
int b = a; // a is converted implicitly to an rvalue

3.右值引用

以上介绍的引用即通常所说的引用，是指左值引用lvalue reference，而2011年08月份发布的C++11中引入右值引用rvalue reference。在定义左值引用时都是定义变量的引用，而不能定义一个指向临时数据的左值引用，这可以使用右值引用来实现。

int a = 1;
int &b = a; // lvalue reference, correct

int &b = 1; // error, lvalue reference can not refer to a temporary value;

int *a = &10; // error: lvalue required as unary ‘&’ operand

此时，可以通过&&的方式定义指向临时值的右值引用：

int x = 1;
int &&b = 1;
int &&c = x; // 错误，x是一个左值
int &&d = b; // 错误，b是一个左值

将以下代码转成汇编对比的结果为：

// 一级指针
int main() {
    int a = 10;
    int *b = &a;
    return 0;
}

// 右值引用
int main() {
    int a = 10;
    int &&b = 10;
    return 0;
}

在这里插入图片描述

对比以上的代码可以看到，使用右值引用时，汇编代码几乎和一级指针相同，除了多出两行：

0x000000000000116b <+34>:	mov    $0xa,%eax
0x0000000000001170 <+39>:	mov    %eax,-0x18(%rbp)

右值引用相当于创建了临时指针-0x18用来存放10,在一级指针中使用的时a的地址-0x1给指针赋值，在右值引用中使用系统自动生成的变量地址-0x18给p赋值,因此右值引用实际上就是一级指针，只是在语言层面的语义区分，其底层实现仍然是借用指针。

了解了右值引用后，再看#2中printStr函数，要想打印非返回类型为值的函数调用的结果，可以借用右值引用：

#include<cstdio>
#include<string>
std::string getStr() {
    std::string s = "rvalue";
    return s;
}

void printStr(std::string &&str) {
    printf("%s", str.c_str());
}

int main() {
    printStr(getStr()); // correct
    return 0;
}

4.移动语义move函数

C++11标准库在头文件utility中，引入了std::move函数，其目的是提高程序运行的效率，把以前一些需要“先拷贝，再删除源对象”的操作，转化为直接把源对象移动到目标位置,如STL容器中的push_back操作等。

template< class T >
constexpr std::remove_reference_t<T>&& move( T&& t ) noexcept;

从函数声明可以看出，move返回的是std::remove_reference_t类型的右值引用，std::move通常用来表示一个对象有可能是从对象t移动过去的，实现了对象资源的高效传递，避免了对象的销毁重建，其作用等同于将对象static_cast类型转换为一个右值引用rvalue reference。

如下，在std::string类中，其第9个构造函数是带noexcept修饰的move constructor，可以实现将资源从一个string直接移动到另一个string,减少资源的复制删除。

#include<cstdio>
#include<string>
#include<vector>

void printStr(std::string &str) {
    printf("%s\n", str.c_str());
}

int main() {
    std::string str = "this";
    // move (9)	string (string&& str) noexcept;
    std::string s(std::move(str));
    printStr(str);
    printStr(s); // content str is moved to s, str will be empty
    // std::string &&s = std::move(str);
    
    // 通过move实现资源的移动，减少复制
    std::vector<std::string> v;
    v.push_back(std::move(s));
    printStr(v[0]); 
    printStr(s); // s empty
}

通过实验对比，使用std::move往vector中push_back string 10000次，性能相差近4倍。

#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <vector>
#include<opencv2/opencv.hpp>
int main()
{
    std::vector<std::string> v;
    // take 9.26ms
    long st = cv::getTickCount();
    for(int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        std::string s = "this";
        v.push_back(s);
    }
    long et = cv::getTickCount();
    printf("%.5f\n", (float)(et - st) / cv::getTickFrequency());
    v.clear();
    // take 2.35ms
    st = cv::getTickCount();
    for(int i = 0; i < 10000; i++)
    {
        std::string s = "this";
        v.push_back(std::move(s));
    } 
    et = cv::getTickCount(); 
    printf("%.5f\n", (float)(et - st) / cv::getTickFrequency());  
}

参考文献

1.https://www.zhihu.com/question/34266997#:~:text=%E5%8F%98%E9%87%8F%E5%90%8D%E6%98%AF%E7%BB%99%E7%BC%96%E8%AF%91,%E4%B8%AA%E7%AC%A6%E5%8F%B7%E5%AF%B9%E5%BA%94%E4%B8%80%E4%B8%AA%E5%9C%B0%E5%9D%80%E3%80%82
2.https://www.xianwaizhiyin.net/?p=2763
4.https://learning.oreilly.com/library/view/c-in-a/059600298X/
4.https://www.zhihu.com/question/26203703