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# 03 | 右值和移动究竟解决了什么问题？
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你好，我是吴咏炜。
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从上一讲智能指针开始，我们已经或多或少接触了移动语义。本讲我们就完整地讨论一下移动语义和相关的概念。移动语义是 C++11 里引入的一个重要概念；理解这个概念，是理解很多现代 C++ 里的优化的基础。
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## 值分左右
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我们常常会说，C++ 里有左值和右值。这话不完全对。标准里的定义实际更复杂，规定了下面这些值类别（value categories）：
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我们先理解一下这些名词的字面含义：
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* 一个 lvalue 是通常可以放在等号左边的表达式，左值
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* 一个 rvalue 是通常只能放在等号右边的表达式，右值
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* 一个 glvalue 是 generalized lvalue，广义左值
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* 一个 xvalue 是 expiring value，将亡值
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* 一个 prvalue 是 pure rvalue，纯右值
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还是有点晕，是吧？我们暂且抛开这些概念，只看其中两个：lvalue 和 prvalue。
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左值 lvalue 是有标识符、可以取地址的表达式，最常见的情况有：
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* 变量、函数或数据成员的名字
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* 返回左值引用的表达式，如 `++x`、`x = 1`、`cout << ' '`
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* 字符串字面量如 `"hello world"`
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在函数调用时，左值可以绑定到左值引用的参数，如 `T&`。一个常量只能绑定到常左值引用，如 `const T&`。
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反之，纯右值 prvalue 是没有标识符、不可以取地址的表达式，一般也称之为“临时对象”。最常见的情况有：
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* 返回非引用类型的表达式，如 `x++`、`x + 1`、`make_shared<int>(42)`
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* 除字符串字面量之外的字面量，如 `42`、`true`
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在 C++11 之前，右值可以绑定到常左值引用（const lvalue reference）的参数，如 `const T&`，但不可以绑定到非常左值引用（non-const lvalue reference），如 `T&`。从 C++11 开始，C++ 语言里多了一种引用类型——右值引用。右值引用的形式是 `T&&`，比左值引用多一个 `&` 符号。跟左值引用一样，我们可以使用 `const` 和 `volatile` 来进行修饰，但最常见的情况是，我们不会用 `const` 和 `volatile` 来修饰右值。本专栏就属于这种情况。
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引入一种额外的引用类型当然增加了语言的复杂性，但也带来了很多优化的可能性。由于 C++ 有重载，我们就可以根据不同的引用类型，来选择不同的重载函数，来完成不同的行为。回想一下，在上一讲中，我们就利用了重载，让 `smart_ptr` 的构造函数可以有不同的行为：
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```c++
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template <typename U>
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smart_ptr(const smart_ptr<U>& other) noexcept
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{
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ptr_ = other.ptr_;
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if (ptr_) {
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other.shared_count_->add_count();
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shared_count_ =
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other.shared_count_;
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}
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}
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template <typename U>
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smart_ptr(smart_ptr<U>&& other) noexcept
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|
{
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ptr_ = other.ptr_;
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if (ptr_) {
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shared_count_ =
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other.shared_count_;
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other.ptr_ = nullptr;
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}
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}
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```
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你可能会好奇，使用右值引用的第二个重载函数中的变量 `other` 算是左值还是右值呢？根据定义，`other` 是个变量的名字，变量有标识符、有地址，所以它还是一个左值——虽然它的类型是右值引用。
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尤其重要的是，拿这个 `other` 去调用函数时，它匹配的也会是左值引用。也就是说，**类型是右值引用的变量是一个左值！**这点可能有点反直觉，但跟 C++ 的其他方面是一致的。毕竟对于一个右值引用的变量，你是可以取地址的，这点上它和左值完全一致。稍后我们再回到这个话题上来。
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再看一下下面的代码：
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```c++
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smart_ptr<shape> ptr1{new circle()};
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smart_ptr<shape> ptr2 = std::move(ptr1);
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```
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第一个表达式里的 `new circle()` 就是一个纯右值；但对于指针，我们通常使用值传递，并不关心它是左值还是右值。
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第二个表达式里的 `std::move(ptr)` 就有趣点了。它的作用是把一个左值引用强制转换成一个右值引用，而并不改变其内容。从实用的角度，在我们这儿 `std::move(ptr1)` 等价于 `static_cast<smart_ptr<shape>&&>(ptr1)`。因此，`std::move(ptr1)` 的结果是指向 `ptr1` 的一个右值引用，这样构造 `ptr2` 时就会选择上面第二个重载。
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我们可以把 `std::move(ptr1)` 看作是一个有名字的右值。为了跟无名的纯右值 prvalue 相区别，C++ 里目前就把这种表达式叫做 xvalue。跟左值 lvalue 不同，xvalue 仍然是不能取地址的——这点上，xvalue 和 prvalue 相同。所以，xvalue 和 prvalue 都被归为右值 rvalue。我们用下面的图来表示会更清楚一点：
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另外请注意，“值类别”（value category）和“值类型”（value type）是两个看似相似、却毫不相干的术语。前者指的是上面这些左值、右值相关的概念，后者则是与引用类型（reference type）相对而言，表明一个变量是代表实际数值，还是引用另外一个数值。在 C++ 里，所有的原生类型、枚举、结构、联合、类都代表值类型，只有引用（`&`）和指针（`*`）才是引用类型。在 Java 里，数字等原生类型是值类型，类则属于引用类型。在 Python 里，一切类型都是引用类型。
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## 生命周期和表达式类型
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一个变量的生命周期在超出作用域时结束。如果一个变量代表一个对象，当然这个对象的生命周期也在那时结束。那临时对象（prvalue）呢？在这儿，C++ 的规则是：一个临时对象会在包含这个临时对象的完整表达式估值完成后、按生成顺序的逆序被销毁，除非有生命周期延长发生。我们先看一个没有生命周期延长的基本情况：
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```c++
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process_shape(circle(), triangle());
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```
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在这儿，我们生成了临时对象，一个圆和一个三角形，它们会在 `process_shape` 执行完成并生成结果对象后被销毁。
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我们插入一些实际的代码，就可以演示这一行为：
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```c++
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#include <stdio.h>
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class shape {
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public:
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virtual ~shape() {}
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};
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class circle : public shape {
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public:
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circle() { puts("circle()"); }
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~circle() { puts("~circle()"); }
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};
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class triangle : public shape {
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public:
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triangle() { puts("triangle()"); }
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~triangle() { puts("~triangle()"); }
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|
};
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class result {
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public:
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|
result() { puts("result()"); }
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|
~result() { puts("~result()"); }
|
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|
};
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result
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process_shape(const shape& shape1,
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const shape& shape2)
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{
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puts("process_shape()");
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return result();
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}
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int main()
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{
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puts("main()");
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process_shape(circle(), triangle());
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puts("something else");
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}
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```
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输出结果可能会是（`circle` 和 `triangle` 的顺序在标准中没有规定）：
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> `main()`
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> `circle()`
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> `triangle()`
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> `process_shape()`
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> `result()`
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> `~result()`
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> `~triangle()`
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> `~circle()`
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> `something else`
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目前我让 `process_shape` 也返回了一个结果，这是为了下一步演示的需要。你可以看到结果的临时对象最后生成、最先析构。
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为了方便对临时对象的使用，C++ 对临时对象有特殊的生命周期延长规则。这条规则是：
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> 如果一个 prvalue 被绑定到一个引用上，它的生命周期则会延长到跟这个引用变量一样长。
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我们对上面的代码只要改一行就能演示这个效果。把 `process_shape` 那行改成：
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```c++
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result&& r = process_shape(
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circle(), triangle());
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```
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我们就能看到不同的结果了：
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> `main()`
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> `circle()`
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> `triangle()`
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> `process_shape()`
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> `result()`
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> `~triangle()`
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> `~circle()`
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> `something else`
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> `~result()`
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现在 `result` 的生成还在原来的位置，但析构被延到了 `main` 的最后。
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需要万分注意的是，这条生命期延长规则只对 prvalue 有效，而对 xvalue 无效。如果由于某种原因，prvalue 在绑定到引用以前已经变成了 xvalue，那生命期就不会延长。不注意这点的话，代码就可能会产生隐秘的 bug。比如，我们如果这样改一下代码，结果就不对了：
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```c++
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#include <utility> // std::move
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…
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result&& r = std::move(process_shape(
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circle(), triangle()));
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```
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这时的代码输出就回到了前一种情况。虽然执行到 something else 那儿我们仍然有一个有效的变量 `r`，但它指向的对象已经不存在了，对 `r` 的解引用是一个未定义行为。由于 `r` 指向的是栈空间，通常不会立即导致程序崩溃，而会在某些复杂的组合条件下才会引致问题……
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对 C++ 的这条生命期延长规则，在后面讲到视图（view）的时候会十分有用。那时我们会看到，有些 C++ 的用法实际上会隐式地利用这条规则。
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此外，参考资料 \[5\] 中提到了一个有趣的事实：你可以把一个没有虚析构函数的子类对象绑定到基类的引用变量上，这个子类对象的析构仍然是完全正常的——这是因为这条规则只是延后了临时对象的析构而已，不是利用引用计数等复杂的方法，因而只要引用绑定成功，其类型并没有什么影响。
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## 移动的意义
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上面我们谈了一些语法知识。就跟学外语的语法一样，这些内容是比较枯燥的。虽然这些知识有时有用，但往往要回过头来看的时候才觉得。初学之时，更重要的是理解为什么，和熟练掌握基本的用法。
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对于 `smart_ptr`，我们使用右值引用的目的是实现移动，而实现移动的意义是减少运行的开销——在引用计数指针的场景下，这个开销并不大。移动构造和拷贝构造的差异仅在于：
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* 少了一次 `other.shared_count_->add_count()` 的调用
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* 被移动的指针被清空，因而析构时也少了一次 `shared_count_->reduce_count()` 的调用
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在使用容器类的情况下，移动更有意义。我们可以尝试分析一下下面这个假想的语句（假设 `name` 是 `string` 类型）：
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```c++
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string result =
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string("Hello, ") + name + ".";
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```
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在 C++11 之前的年代里，这种写法是绝对不推荐的。因为它会引入很多额外开销，执行流程大致如下：
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1. 调用构造函数 `string(const char*)`，生成临时对象 1；`"Hello, "` 复制 1 次。
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2. 调用 `operator+(const string&, const string&)`，生成临时对象 2；`"Hello, "` 复制 2 次，`name` 复制 1 次。
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3. 调用 `operator+(const string&, const char*)`，生成对象 3；`"Hello, "` 复制 3 次，`name` 复制 2 次，`"."` 复制 1 次。
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4. 假设返回值优化能够生效（最佳情况），对象 3 可以直接在 `result` 里构造完成。
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5. 临时对象 2 析构，释放指向 `string("Hello, ") + name` 的内存。
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6. 临时对象 1 析构，释放指向 `string("Hello, ")` 的内存。
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既然 C++ 是一门追求性能的语言，一个合格的 C++ 程序员会写：
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```c++
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string result = "Hello, ";
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result += name;
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result += ".";
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```
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这样的话，只会调用构造函数一次和 `string::operator+=` 两次，没有任何临时对象需要生成和析构，所有的字符串都只复制了一次。但显然代码就啰嗦多了——尤其如果拼接的步骤比较多的话。从 C++11 开始，这不再是必须的。同样上面那个单行的语句，执行流程大致如下：
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1. 调用构造函数 `string(const char*)`，生成临时对象 1；`"Hello, "` 复制 1 次。
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2. 调用 `operator+(string&&, const string&)`，直接在临时对象 1 上面执行追加操作，并把结果移动到临时对象 2；`name` 复制 1 次。
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3. 调用 `operator+(string&&, const char*)`，直接在临时对象 2 上面执行追加操作，并把结果移动到 `result`；`"."` 复制 1 次。
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4. 临时对象 2 析构，内容已经为空，不需要释放任何内存。
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5. 临时对象 1 析构，内容已经为空，不需要释放任何内存。
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性能上，所有的字符串只复制了一次；虽然比啰嗦的写法仍然要增加临时对象的构造和析构，但由于这些操作不牵涉到额外的内存分配和释放，是相当廉价的。程序员只需要牺牲一点点性能，就可以大大增加代码的可读性。而且，所谓的性能牺牲，也只是相对于优化得很好的 C 或 C++ 代码而言——这样的 C++ 代码的性能仍然完全可以超越 Python 类的语言的相应代码。
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此外很关键的一点是，C++ 里的对象缺省都是值语义。在下面这样的代码里：
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```c++
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class A {
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B b_;
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C c_;
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};
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```
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从实际内存布局的角度，很多语言——如 Java 和 Python——会在 `A` 对象里放 `B` 和 `C` 的指针（虽然这些语言里本身没有指针的概念）。而 C++ 则会直接把 `B` 和 `C` 对象放在 `A` 的内存空间里。这种行为既是优点也是缺点。说它是优点，是因为它保证了内存访问的局域性，而局域性在现代处理器架构上是绝对具有性能优势的。说它是缺点，是因为复制对象的开销大大增加：在 Java 类语言里复制的是指针，在 C++ 里是完整的对象。这就是为什么 C++ 需要移动语义这一优化，而 Java 类语言里则根本不需要这个概念。
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一句话总结，移动语义使得在 C++ 里返回大对象（如容器）的函数和运算符成为现实，因而可以提高代码的简洁性和可读性，提高程序员的生产率。
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所有的现代 C++ 的标准容器都针对移动进行了优化。
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## 如何实现移动？
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要让你设计的对象支持移动的话，通常需要下面几步：
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* 你的对象应该有分开的拷贝构造和移动构造函数（除非你只打算支持移动，不支持拷贝——如 `unique_ptr`）。
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* 你的对象应该有 `swap` 成员函数，支持和另外一个对象快速交换成员。
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* 在你的对象的名空间下，应当有一个全局的 `swap` 函数，调用成员函数 `swap` 来实现交换。支持这种用法会方便别人（包括你自己在将来）在其他对象里包含你的对象，并快速实现它们的 `swap` 函数。
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* 实现通用的 `operator=`。
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* 上面各个函数如果不抛异常的话，应当标为 `noexcept`。这对移动构造函数尤为重要。
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具体写法可以参考我们当前已经实现的 `smart_ptr`：
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* `smart_ptr` 有拷贝构造和移动构造函数（虽然此处我们的模板构造函数严格来说不算拷贝或移动构造函数）。移动构造函数应当从另一个对象获取资源，清空其资源，并将其置为一个可析构的状态。
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```c++
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smart_ptr(const smart_ptr& other) noexcept
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{
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ptr_ = other.ptr_;
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if (ptr_) {
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other.shared_count_
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->add_count();
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shared_count_ =
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other.shared_count_;
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}
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}
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template <typename U>
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smart_ptr(const smart_ptr<U>& other) noexcept
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{
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ptr_ = other.ptr_;
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if (ptr_) {
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other.shared_count_
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->add_count();
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shared_count_ =
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|
other.shared_count_;
|
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}
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|
}
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template <typename U>
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|
smart_ptr(smart_ptr<U>&& other) noexcept
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|
{
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|
ptr_ = other.ptr_;
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if (ptr_) {
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shared_count_ =
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|
other.shared_count_;
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other.ptr_ = nullptr;
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}
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}
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```
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* `smart_ptr` 有 `swap` 成员函数。
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```c++
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void swap(smart_ptr& rhs) noexcept
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{
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using std::swap;
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swap(ptr_, rhs.ptr_);
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swap(shared_count_,
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|
rhs.shared_count_);
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|
}
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```
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* 有支持 `smart_ptr` 的全局 `swap` 函数。
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```c++
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template <typename T>
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void swap(smart_ptr<T>& lhs,
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|
smart_ptr<T>& rhs) noexcept
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|
{
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lhs.swap(rhs);
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}
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```
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* `smart_ptr` 有通用的 `operator=` 成员函数。注意为了避免让人吃惊，通常我们需要将其实现成对 `a = a;` 这样的写法安全。下面的写法算是个小技巧，对传递左值和右值都有效，而且规避了 `if (&rhs != this)` 这样的判断。
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```c++
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smart_ptr&
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operator=(smart_ptr rhs) noexcept
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{
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rhs.swap(*this);
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return *this;
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}
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```
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## 不要返回本地变量的引用
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有一种常见的 C++ 编程错误，是在函数里返回一个本地对象的引用。由于在函数结束时本地对象即被销毁，返回一个指向本地对象的引用属于未定义行为。理论上来说，程序出任何奇怪的行为都是正常的。
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在 C++11 之前，返回一个本地对象意味着这个对象会被拷贝，除非编译器发现可以做返回值优化（named return value optimization，或 NRVO），能把对象直接构造到调用者的栈上。从 C++11 开始，返回值优化仍可以发生，但在没有返回值优化的情况下，编译器将试图把本地对象移动出去，而不是拷贝出去。这一行为不需要程序员手工用 `std::move` 进行干预——使用 `std::move` 对于移动行为没有帮助，反而会影响返回值优化。
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下面是个例子：
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```c++
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#include <iostream> // std::cout/endl
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#include <utility> // std::move
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using namespace std;
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class Obj {
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public:
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Obj()
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{
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cout << "Obj()" << endl;
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}
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|
Obj(const Obj&)
|
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{
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|
|
|
cout << "Obj(const Obj&)"
|
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|
<< endl;
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}
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|
Obj(Obj&&)
|
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|
{
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|
|
|
cout << "Obj(Obj&&)" << endl;
|
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|
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|
|
}
|
|
|
|
|
|
};
|
|
|
|
|
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|
|
Obj simple()
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|
{
|
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|
Obj obj;
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// 简单返回对象；一般有 NRVO
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return obj;
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}
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Obj simple_with_move()
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{
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|
|
Obj obj;
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// move 会禁止 NRVO
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return std::move(obj);
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}
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Obj complicated(int n)
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{
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Obj obj1;
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Obj obj2;
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// 有分支，一般无 NRVO
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if (n % 2 == 0) {
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return obj1;
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} else {
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return obj2;
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}
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}
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int main()
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{
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cout << "*** 1 ***" << endl;
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auto obj1 = simple();
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cout << "*** 2 ***" << endl;
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auto obj2 = simple_with_move();
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cout << "*** 3 ***" << endl;
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auto obj3 = complicated(42);
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}
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```
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输出通常为：
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> `*** 1 ***`
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> `Obj()`
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> `*** 2 ***`
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> `Obj()`
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> `Obj(Obj&&)`
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> `*** 3 ***`
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> `Obj()`
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> `Obj()`
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> `Obj(Obj&&)`
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也就是，用了 `std::move` 反而妨碍了返回值优化。
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## 引用坍缩和完美转发
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最后讲一个略复杂、但又不得不讲的话题，引用坍缩（又称“引用折叠”）。这个概念在泛型编程中是一定会碰到的。我们今天既然讲了左值和右值引用，也需要一起讲一下。
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我们已经讲了对于一个实际的类型 `T`，它的左值引用是 `T&`，右值引用是 `T&&`。那么：
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1. 是不是看到 `T&`，就一定是个左值引用？
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2. 是不是看到 `T&&`，就一定是个右值引用？
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对于前者的回答是“是”，对于后者的回答为“否”。
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关键在于，在有模板的代码里，对于类型参数的推导结果可能是引用。我们可以略过一些繁复的语法规则，要点是：
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* 对于 `template <typename T> foo(T&&)` 这样的代码，如果传递过去的参数是左值，`T` 的推导结果是左值引用；如果传递过去的参数是右值，`T` 的推导结果是参数的类型本身。
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* 如果 `T` 是左值引用，那 `T&&` 的结果仍然是左值引用——即 `type& &&` 坍缩成了 `type&`。
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* 如果 `T` 是一个实际类型，那 `T&&` 的结果自然就是一个右值引用。
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我们之前提到过，右值引用变量仍然会匹配到左值引用上去。下面的代码会验证这一行为：
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```c++
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void foo(const shape&)
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{
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puts("foo(const shape&)");
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}
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void foo(shape&&)
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{
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puts("foo(shape&&)");
|
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|
}
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void bar(const shape& s)
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{
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|
puts("bar(const shape&)");
|
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foo(s);
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}
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void bar(shape&& s)
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{
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|
puts("bar(shape&&)");
|
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foo(s);
|
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|
}
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int main()
|
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|
{
|
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|
bar(circle());
|
|
|
|
|
|
}
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|
```
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|
输出为：
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> `bar(shape&&)`
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> `foo(const shape&)`
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如果我们要让 `bar` 调用右值引用的那个 foo 的重载，我们必须写成：
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```c++
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foo(std::move(s));
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```
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或：
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```c++
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foo(static_cast<shape&&>(s));
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```
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可如果两个 `bar` 的重载除了调用 `foo` 的方式不一样，其他都差不多的话，我们为什么要提供两个不同的 `bar` 呢？
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事实上，很多标准库里的函数，连目标的参数类型都不知道，但我们仍然需要能够保持参数的值类别：左值的仍然是左值，右值的仍然是右值。这个功能在 C++ 标准库中已经提供了，叫 `std::forward`。它和 `std::move` 一样都是利用引用坍缩机制来实现。此处，我们不介绍其实现细节，而是重点展示其用法。我们可以把我们的两个 `bar` 函数简化成：
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```c++
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template <typename T>
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|
void bar(T&& s)
|
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|
{
|
|
|
|
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|
foo(std::forward<T>(s));
|
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|
}
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|
```
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对于下面这样的代码：
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```c++
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circle temp;
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bar(temp);
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bar(circle());
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|
```
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现在的输出是：
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> `foo(const shape&)`
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> `foo(shape&&)`
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一切如预期一样。
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因为在 `T` 是模板参数时，`T&&` 的作用主要是保持值类别进行转发，它有个名字就叫“转发引用”（forwarding reference）。因为既可以是左值引用，也可以是右值引用，它也曾经被叫做“万能引用”（universal reference）。
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## 内容小结
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本讲介绍了 C++ 里的值类别，重点介绍了临时变量、右值引用、移动语义和实际的编程用法。由于这是 C++11 里的重点功能，你对于其基本用法需要牢牢掌握。
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## 课后思考
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留给你两道思考题：
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1. 请查看一下标准函数模板 `make_shared` 的声明，然后想一想，这个函数应该是怎样实现的。
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2. 为什么 `smart_ptr::operator=` 对左值和右值都有效，而且不需要对等号两边是否引用同一对象进行判断？
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欢迎留言和我交流你的看法，尤其是对第二个问题。
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## 参考资料
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\[1\] cppreference.com, “Value categories”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/language/value\_category](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/value_category)
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|
\[1a\] cppreference.com, “值类别”. [https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/value\_category](https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/value_category)
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|
\[2\] Anders Schau Knatten, “lvalues, rvalues, glvalues, prvalues, xvalues, help!”. [https://blog.knatten.org/2018/03/09/lvalues-rvalues-glvalues-prvalues-xvalues-help/](https://blog.knatten.org/2018/03/09/lvalues-rvalues-glvalues-prvalues-xvalues-help/)
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|
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|
|
\[3\] Jeaye, “Value category cheat-sheet”. [https://blog.jeaye.com/2017/03/19/xvalues/](https://blog.jeaye.com/2017/03/19/xvalues/)
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|
|
\[4\] Thomas Becker, “C++ rvalue references explained”. [http://thbecker.net/articles/rvalue\_references/section\_01.html](http://thbecker.net/articles/rvalue_references/section_01.html)
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\[5\] Herb Sutter, “GotW #88: A candidate for the ‘most important const’”. [https://herbsutter.com/2008/01/01/gotw-88-a-candidate-for-the-most-important-const/](https://herbsutter.com/2008/01/01/gotw-88-a-candidate-for-the-most-important-const/)
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