【Modern C++】深入理解左值、右值

作者：雨樂(lè) 2022-02-16 12:52:22

作為C/C++開發(fā)人員，在平時(shí)的項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程中，或多或少的聽過(guò)左值和右值的概念，甚至在編譯器報(bào)錯(cuò)的時(shí)候，遇到過(guò)lvalue和rvalue等字樣；甚至使用過(guò)std::move()，但是不知道其含義。

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你好，我是雨樂(lè)!

作為C/C++開發(fā)人員，在平時(shí)的項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程中，或多或少的聽過(guò)左值和右值的概念，甚至在編譯器報(bào)錯(cuò)的時(shí)候，遇到過(guò)lvalue和rvalue等字樣;甚至使用過(guò)std::move()，但是不知道其含義。作為多年的C++開發(fā)人員，一直以來(lái)，對(duì)左值右值的理解沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，總感覺似懂非懂。今天，借助本文，詳細(xì)的介紹下這些知識(shí)點(diǎn)，并從代碼實(shí)例的角度去分析什么是左值或者右值，同時(shí)，也算是給自己知識(shí)點(diǎn)做一個(gè)總結(jié)。

背景

作為C++開發(fā)人員，相信我們都寫過(guò)如下代碼：

void fun(int &x) {
//
}

int main() {
  fun(10);
  return 0;
}

在編譯的時(shí)候，會(huì)提示如下：

error: invalid initialization of non-const reference of type ‘int&’ from an rvalue of type ‘int’

其中上述報(bào)錯(cuò)中的rvalue就是10，也就是說(shuō)10就是rvalue，那么到底什么是rvalue，rvalue的意義是什么?這就是本文的目的，通過(guò)本文，讓你徹底搞清楚什么C++下的值類別，以及如何區(qū)分左值、純右值和將亡值。

本文的主要內(nèi)容如下圖所示：

歷史

在正式介紹左值和右值之前，我們先介紹下其歷史。

編程語(yǔ)言CPL第一次引入了值類別，不過(guò)其定義比較簡(jiǎn)單，即對(duì)于賦值運(yùn)算符，在運(yùn)算符左邊的為左值，在運(yùn)算符右邊的為右值。

C語(yǔ)言遵循與CPL類似的分類法，但是弱化了賦值的作用，C語(yǔ)言中的表達(dá)式被分為左值和其它(函數(shù)和非對(duì)象值)，其中左值被定義為標(biāo)識(shí)一個(gè)對(duì)象的表達(dá)式。不過(guò)，C語(yǔ)言中的左值與CPL中的左值區(qū)別是，在C語(yǔ)言中l(wèi)value是locator value的簡(jiǎn)寫，因此lvalue對(duì)應(yīng)了一塊內(nèi)存地址。

C++11之前，左值遵循了C語(yǔ)言的分類法，但與C不同的是，其將非左值表達(dá)式統(tǒng)稱為右值，函數(shù)為左值，并添加了引用能綁定到左值但唯有const的引用能綁定到右值的規(guī)則。幾種非左值的C表達(dá)式在C++中成為了左值表達(dá)式。

自C++11開始，對(duì)值類別又進(jìn)行了詳細(xì)分類，在原有左值的基礎(chǔ)上增加了純右值和消亡值，并對(duì)以上三種類型通過(guò)是否具名(identity)和可移動(dòng)(moveable)，又增加了glvalue和rvalue兩種組合類型，在后面的內(nèi)容中，會(huì)對(duì)這幾種類型進(jìn)行詳細(xì)講解。

表達(dá)式

C/C++代碼是由標(biāo)識(shí)符、表達(dá)式和語(yǔ)句以及一些必要的符號(hào)(大括號(hào)等)組成。

表達(dá)式由按照語(yǔ)言規(guī)則排列的運(yùn)算符，常量和變量組成。一個(gè)表達(dá)式可以包含一個(gè)或多個(gè)操作數(shù)，零個(gè)或多個(gè)運(yùn)算符來(lái)計(jì)算值。每個(gè)表達(dá)式都會(huì)產(chǎn)生一些值，該值將在賦值運(yùn)算符的幫助下分配給變量。

在C/C++中，表達(dá)式有很多種，我們常見的有前后綴表達(dá)式、條件運(yùn)算符表達(dá)式等。字面值(literal)和變量(variable)是最簡(jiǎn)單的表達(dá)式，函數(shù)的返回值也被認(rèn)為是表達(dá)式。

表達(dá)式是可求值的，對(duì)表達(dá)式求值可得到一個(gè)結(jié)果，這個(gè)結(jié)果有兩個(gè)屬性:

類型。這個(gè)我們很常見，比如int、string、引用或者我們自定義的類。類型確定了表達(dá)式可以進(jìn)行哪些操作。
值類別(在下節(jié)中會(huì)細(xì)講)。

值類別

在上節(jié)中，我們提到表達(dá)式是可求值的，而值類別就是求值結(jié)果的屬性之一。

在C++11之前，表達(dá)式的值分為左值和右值兩種，其中右值就是我們理解中的字面值1、true、NULL等。

自C++11開始，表達(dá)式的值分為左值(lvalue, left value)、將亡值(xvalue, expiring value)、純右值(pvalue, pure ravlue)以及兩種混合類別泛左值(glvalue, generalized lvalue)和右值(rvalue, right value)五種。

這五種類別的分類基于表達(dá)式的兩個(gè)特征：

具名(identity):可以確定表達(dá)式是否與另一表達(dá)式指代同一實(shí)體，例如通過(guò)比較它們所標(biāo)識(shí)的對(duì)象或函數(shù)的(直接或間接獲得的)地址
可被移動(dòng)：移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)、移動(dòng)賦值運(yùn)算符或?qū)崿F(xiàn)了移動(dòng)語(yǔ)義的其他函數(shù)重載能夠綁定于這個(gè)表達(dá)式

結(jié)合上述兩個(gè)特征，對(duì)五種表達(dá)式值類別進(jìn)行重新定義：

lvalue:具名且不可被移動(dòng)
xvaue:具名且可被移動(dòng)
prvalue:不具名且可被移動(dòng)
glvalue:具名，lvalue和xvalue都屬于glvalue
rvalue:可被移動(dòng)的表達(dá)式，prvalue和xvalue都屬于rvalue

用圖表示如下：

從glvalue和rvalue出發(fā)，將具名(indentity)和可移動(dòng)兩個(gè)特征結(jié)合起來(lái)，如下圖所示：

在上圖中，I代表indentity，M代表moveable。以xvalue為例，在上圖中xvalue為(I&M)，即代表具名且可移動(dòng)。

對(duì)于indentity，有些文章譯為有身份的，有些文章譯為具名的，本文統(tǒng)一稱為具名的。

左值左值(lvalue,left value)，顧名思義就是賦值符號(hào)左邊的值。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，左值是表達(dá)式結(jié)束(不一定是賦值表達(dá)式)后依然存在的對(duì)象。

可以將左值看作是一個(gè)關(guān)聯(lián)了名稱的內(nèi)存位置，允許程序的其他部分來(lái)訪問(wèn)它。在這里，我們將 "名稱" 解釋為任何可用于訪問(wèn)內(nèi)存位置的表達(dá)式。所以，如果 arr 是一個(gè)數(shù)組，那么 arr[1] 和 *(arr+1) 都將被視為相同內(nèi)存位置的“名稱”。

左值

具有以下特征：

可通過(guò)取地址運(yùn)算符獲取其地址
可修改的左值可用作內(nèi)建賦值和內(nèi)建符合賦值運(yùn)算符的左操作數(shù)
可以用來(lái)初始化左值引用(后面有講)

那么哪些都是左值呢?查了相關(guān)資料，做了些匯總，基本覆蓋了所有的類型：

變量名、函數(shù)名以及數(shù)據(jù)成員名
返回左值引用的函數(shù)調(diào)用
由賦值運(yùn)算符或復(fù)合賦值運(yùn)算符連接的表達(dá)式，如(a=b, a-=b等)
解引用表達(dá)式*ptr
前置自增和自減表達(dá)式(++a, ++b)
成員訪問(wèn)(點(diǎn))運(yùn)算符的結(jié)果
由指針訪問(wèn)成員( -> )運(yùn)算符的結(jié)果
下標(biāo)運(yùn)算符的結(jié)果([])
字符串字面值("abc")

為了能夠更加清晰地理解左值，我們舉例：

int a = 1; // a是左值
T& f();
f();//左值
++a;//左值
--a;//左值
int b = a;//a和b都是左值
struct S* ptr = &obj; // ptr為左值
arr[1] = 2; // 左值
int *p = &a; // p為左值
*p = 10; // *p為左值
class MyClass{};
MyClass c; // c為左值
"abc"

對(duì)于一個(gè)表達(dá)式，凡是對(duì)其取地址(&)操作可以成功的都是左值

純右值

在前面有提過(guò)，自C++11開始，純右值(pvalue, pure ravlue)相當(dāng)于之前的右值，那么什么是純右值呢?

字面值或者函數(shù)返回的非引用都是純右值。
以下表達(dá)式的值都是純右值：
字面值(字符串字面值除外)，例如1，'a', true等
返回值為非引用的函數(shù)調(diào)用或操作符重載，例如：str.substr(1, 2), str1 + str2, or it++
后置自增和自減表達(dá)式(a++, a--)
算術(shù)表達(dá)式
邏輯表達(dá)式
比較表達(dá)式
取地址表達(dá)式
lambda表達(dá)式

為了加深對(duì)右值的理解，下面的例子是常見的純右值：

nullptr;
true;
1;
int fun();
fun();

int a = 1;
int b = 2;
a + b;

a++;
b--;

a > b;
a && b;

純右值特征：

等同于C++11之前的右值
不會(huì)是多態(tài)
不會(huì)是抽象類型或數(shù)組
不會(huì)是不完全類型

將亡值

將亡值(xvalue, expiring value)，顧名思義即將消亡的值，是C++11新增的跟右值引用相關(guān)的表達(dá)式，通常是將要被移動(dòng)的對(duì)象(移為他用)，比如返回右值引用T&&的函數(shù)返回值、std::move的返回值，或者轉(zhuǎn)換為T&&的類型轉(zhuǎn)換函數(shù)的返回值。

將亡值可以理解為通過(guò)“盜取”其他變量?jī)?nèi)存空間的方式獲取到的值。在確保其他變量不再被使用、或即將被銷毀時(shí)，通過(guò)“盜取”的方式可以避免內(nèi)存空間的釋放和分配，能夠延長(zhǎng)變量值的生命期。(通過(guò)右值引用來(lái)續(xù)命)。

xvalue 只能通過(guò)兩種方式來(lái)獲得，這兩種方式都涉及到將一個(gè)左值賦給(轉(zhuǎn)化為)一個(gè)右值引用：

返回右值引用的函數(shù)的調(diào)用表達(dá)式,如 static_cast(t); 該表達(dá)式得到一個(gè) xvalue
轉(zhuǎn)換為右值引用的轉(zhuǎn)換函數(shù)的調(diào)用表達(dá)式，如：std::move(t)、satic_cast(t)

下面通過(guò)幾個(gè)代碼來(lái)詳細(xì)分析什么是將亡值：

std::string fun() {
  std::string str;
  // ...
  return str;
}

std::string s = fun();

在函數(shù)fun()中，str是一個(gè)局部變量，并在函數(shù)結(jié)束時(shí)候被返回。

在C++11之前，s = fun();會(huì)調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)，會(huì)將整個(gè)str復(fù)制一份，然后把str銷毀。如果str特別大的話，會(huì)造成大量額外開銷。在這一行中，s是左值，fun()是右值(純右值)，fun()產(chǎn)生的那個(gè)返回值作為一個(gè)臨時(shí)值，一旦str被s復(fù)制后，將被銷毀，無(wú)法獲取、也不能修改。

自C++11開始，引入了move語(yǔ)義，編譯器會(huì)將這部分優(yōu)化成move操作，即不再是之前的復(fù)制操作，而是move。此時(shí)，str會(huì)被進(jìn)行隱式右值轉(zhuǎn)換，等價(jià)于static_cast(str)，進(jìn)而此處的 s 會(huì)將 foo 局部返回的值進(jìn)行移動(dòng)。

無(wú)論是C++11之前的拷貝，還是C++11的move，str在填充(拷貝或者move)給s之后，將被銷毀，而被銷毀的這個(gè)值，就成為將亡值。

將亡值就定義了這樣一種行為：具名的臨時(shí)值、同時(shí)又能夠被move。

混合類型

泛左值

泛左值(glvalue, generalized lvalue)，又稱為廣義左值，是具名表達(dá)式，對(duì)應(yīng)了一塊內(nèi)存。glvalue有l(wèi)value和xvalue兩種形式。

一個(gè)表達(dá)式是具名的，則稱為glvalue，例子如下：

struct S{
  int n;
};

S fun();
S s;
s;
std::move(s);

fun();
S{};
S{}.n;

在上述代碼中：

定義了結(jié)構(gòu)體S和函數(shù)fun()
第6行聲明了類型為S的變量s，因?yàn)槠涫蔷呙模允莋lvalue
第七行同上，因?yàn)閟具名，所以為glvalue
第8行中調(diào)用了move函數(shù) ，將左值s轉(zhuǎn)換成xvalue，所以是glvaue
第10行中，fun()是不具名的，是純右值，所以不是glvalue
第11行中，生成一個(gè)不具名的臨時(shí)變量，是純右值，所以不是glvalue
第12行中，n具名，所以是glvalue

glvalue的特征如下：

可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換成prvalue
可以是多態(tài)的
可以是不完整類型，如前置聲明但未定義的類類型

右值

右值(rvalue, right value)是指可以移動(dòng)的表達(dá)式。prvalue和xvalue都是rvalue，具體的示例見下文。

rvalue具有以下特征：

無(wú)法對(duì)rvalue進(jìn)行取地址操作。例如：&1，&(a + b)，這些表達(dá)式?jīng)]有意義，也編譯不過(guò)。
rvalue不能放在賦值或者組合賦值符號(hào)的左邊，例如：3 = 5，3 += 5，這些表達(dá)式?jīng)]有意義，也編譯不過(guò)。
rvalue可以用來(lái)初始化const左值引用(見下文)。例如：const int& a = 1。
rvalue可以用來(lái)初始化右值引用(見下文)。
rvalue可以影響函數(shù)重載：當(dāng)被用作函數(shù)實(shí)參且該函數(shù)有兩種重載可用，其中之一接受右值引用的形參而另一個(gè)接受 const 的左值引用的形參時(shí)，右值將被綁定到右值引用的重載之上。

深入

經(jīng)過(guò)前面的內(nèi)容，我們對(duì)左值和右值(純右值和將亡值)有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，在本節(jié)，我們借助一些例子，來(lái)加深對(duì)左值和右值的理解。

前置自增(減)是左值，后置自增(減)是純右值

代碼如下：

int i = 0;
++i;
--i;
i++;
i--;

在上面代碼中，我們定義了一個(gè)int類型的變量i，并初始化為0。

++i的操作是對(duì)i加1后再賦值給i，所以++i的結(jié)果是具名的，名稱就是i，所以++i是左值
對(duì)于i++而言，先將i的值進(jìn)行拷貝(此處假設(shè)拷貝到臨時(shí)變量ii)，然后再對(duì)i加1，最后返回ii(其實(shí)不存在的，為了在此表述方便)。所以i++是不具名的，因此不是glvaue，所以i++是右值，又因?yàn)椴痪呙沂怯抑担詉++是純右值
同理，--i是左值，i--是純右值

算術(shù)表達(dá)式是純右值

代碼如下：

int x = 0;
int y = 0;
x + y;
x && y;
x == y;

在上述代碼中，x + y得到的是一個(gè)不具名的臨時(shí)對(duì)象，所以x+y是純右值;而x && y和x == y得到的是一個(gè)bool常量值，要么是true要么是false，所以是純右值。

解引用是左值，取地址是純右值

代碼如下：

int x = 0;
int *y = &x;
*y = 1;
&y;

*y得到的是y指向地址的實(shí)際值，所以&(*y)是合法的，因此*y是左值;對(duì)&y操作得到的是一個(gè)地址，即一個(gè)long值，所以是一個(gè)字面值，因此&y是純右值。

字符串字面值是左值

字符串字面值為左值，這個(gè)比較特殊。在前面提到過(guò)字面值都是純右值(字符串字面值除外)，一個(gè)很重要的原因，就是可以字符串字面值可以獲取地址，

下面代碼在編譯器中可正常編譯且運(yùn)行：

std::cout << &"abc" << std::endl;

這是因?yàn)镃++將字符串字面值實(shí)現(xiàn)為char型數(shù)組，實(shí)實(shí)在在地為每個(gè)字符都分配了空間并且允許程序員對(duì)其進(jìn)行操作。如果從存儲(chǔ)區(qū)的概念來(lái)理解，那就是字符串字面值存儲(chǔ)在常量區(qū)。

引用

既然提到了左值右值，就得提一下引用。

在C++11之前，引用分為左值引用和常量左值引用兩種，但是自C++11起，引入了右值引用，也就是說(shuō)，在C++11中，包含如下3中引用：

左值引用
常量左值引用(不希望被修改)
右值引用

左值引用和常量左值引用，我們很常見，如下代碼：

std::string str = "abc";
std::string &s = str;

const int &a = 10;

int &b = 10; // 錯(cuò)

在上述代碼中，s是一個(gè)左值引用，而a是一個(gè)const 左值引用。那么，為什么最后一句int &b = 10;編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)呢?這是因?yàn)?0是常量，而常量是右值，一個(gè)右值怎么能夠被左值引用去引用呢。

那么什么是右值引用呢?右值引用就是引用右值的引用，這不廢話嘛??。

在C++11中引入了右值引用，因?yàn)橛抑档纳芷诤芏蹋抑狄玫囊耄沟每梢匝娱L(zhǎng)右值的生命周期。在C++中規(guī)定，右值引用是&&即由2個(gè)&表示，而左值引用是一個(gè)&表示。右值引用的作用是為了綁定右值。

為了能區(qū)分左值引用和右值引用，代碼如下：

int a = 1;
int &rb = a; // b為左值引用
int &&rrb = a; // 錯(cuò)誤，a是左值，右值引用不能綁定左值
int &&rrb1 = 1; // 正確，1為右值
int &rb1 = i * 2; // 錯(cuò)誤，i * 2是右值，而rb1位左值引用
int &&rrb2 = i * 2; // 正確
const int &c = 1; // 正確
const int &c1 = i * 2; // 正確

在這里，我們需要特別注意的一點(diǎn)就是右值引用雖然是引用右值，但是其本身是左值，以下代碼為例：

int &&a = 1;

在上述代碼中，a是一個(gè)右值引用，但是其本身是左值，合適因?yàn)椋?/p>

a出現(xiàn)在等號(hào)(=)的左邊
可以對(duì)a取地址

我們?cè)谇懊嬗刑岬竭^(guò)，一個(gè)表達(dá)式有兩個(gè)屬性，分別為類型和值類別。本節(jié)說(shuō)的左值引用和右值引用就屬于類型,而左值和右值則屬于值類別范疇，這個(gè)概念很重要，千萬(wàn)不能混淆。

可能有人會(huì)問(wèn)，除了自己根據(jù)規(guī)則區(qū)分左值引用和右值引用，有沒(méi)有更快更準(zhǔn)確的方式來(lái)判斷呢?其實(shí)，系統(tǒng)提供了API，如下：

std::is_lvalue_reference
is_rvalue_reference
  
int a = 1;
int &ra = a;
int &&b = 1;

std::cout << std::is_lvalue_reference<decltype(ra)>::value << std::endl;

std::cout << std::is_rvalue_reference<decltype(ra)>::value << std::endl;

std::cout << std::is_rvalue_reference<decltype(b)>::value << std::endl;

輸出結(jié)果：

1
0
1

結(jié)語(yǔ)

這篇文章是在整理了大量資料，結(jié)合自己的理解之后完成的。左值右值這種本身就比較抽象，在寫文的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有些東西，很難用文字來(lái)描述。在寫這篇文章的過(guò)程中，也糾正了自己長(zhǎng)久以來(lái)對(duì)左值右值的疑惑，因?yàn)檫@塊確實(shí)比較復(fù)雜，所以文章中難免有出錯(cuò)或者不周全的地方，希望您批評(píng)指正。

好了，今天的文章就到這里，我們下期見!