【Modern C++】深入理解左值、右值

你好，我是雨樂！

作為C/C++開發(fā)人員，在平時的項(xiàng)目開發(fā)過程中，或多或少的聽過左值和右值的概念，甚至在編譯器報(bào)錯的時候，遇到過lvalue和rvalue等字樣；甚至使用過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，對左值右值的理解沒有一個系統(tǒng)的認(rèn)識，總感覺似懂非懂。今天，借助本文，詳細(xì)的介紹下這些知識點(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，也算是給自己知識點(diǎn)做一個總結(jié)。

背景

作為C++開發(fā)人員，相信我們都寫過如下代碼：

void?fun(int?&x)?{
//
}

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

在編譯的時候，會提示如下：

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

其中上述報(bào)錯中的rvalue就是10，也就是說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。

編程語言CPL第一次引入了值類別，不過其定義比較簡單，即對于賦值運(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語言遵循與CPL類似的分類法，但是弱化了賦值的作用，C語言中的表達(dá)式被分為左值和其它(函數(shù)和非對象值)，其中左值被定義為標(biāo)識一個對象的表達(dá)式。不過，C語言中的左值與CPL中的左值區(qū)別是，在C語言中l(wèi)value是locator value的簡寫，因此lvalue對應(yīng)了一塊內(nèi)存地址。

C++11之前，左值遵循了C語言的分類法，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，并對以上三種類型通過是否具名(identity)和可移動(moveable)，又增加了glvalue和rvalue兩種組合類型，在后面的內(nèi)容中，會對這幾種類型進(jìn)行詳細(xì)講解。

表達(dá)式

C/C++代碼是由標(biāo)識符、表達(dá)式和語句以及一些必要的符號(大括號等)組成。

表達(dá)式由按照語言規(guī)則排列的運(yùn)算符，常量和變量組成。一個表達(dá)式可以包含一個或多個操作數(shù)，零個或多個運(yùn)算符來計(jì)算值。每個表達(dá)式都會產(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，對表達(dá)式求值可得到一個結(jié)果，這個結(jié)果有兩個屬性:

• 類型。這個我們很常見，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，例如通過比較它們所標(biāo)識的對象或函數(shù)的（直接或間接獲得的）地址
• 可被移動：移動構(gòu)造函數(shù)、移動賦值運(yùn)算符或?qū)崿F(xiàn)了移動語義的其他函數(shù)重載能夠綁定于這個表達(dá)式

結(jié)合上述兩個特征，對五種表達(dá)式值類別進(jìn)行重新定義：

• lvalue:具名且不可被移動
• xvaue:具名且可被移動
• prvalue:不具名且可被移動
• glvalue:具名，lvalue和xvalue都屬于glvalue
• rvalue:可被移動的表達(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)和可移動兩個特征結(jié)合起來，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。

對于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左邊的值。準(zhǔn)確來說，左值是表達(dá)式結(jié)束（不一定是賦值表達(dá)式）后依然存在的對象。

可以將左值看作是一個關(guān)聯(lián)了名稱的內(nèi)存位置，允許程序的其他部分來訪問它。在這里，我們將 "名稱" 解釋為任何可用于訪問內(nèi)存位置的表達(dá)式。所以，如果 arr 是一個數(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（點(diǎn)）運(yùn)算符的結(jié)果
• 由指針訪問成員（ -> ）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"

對于一個表達(dá)式，凡是對其取地址（&）操作可以成功的都是左值

純右值

在前面有提過，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
• 不會是多態(tài)
• 不會是抽象類型或數(shù)組
• 不會是不完全類型

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，通常是將要被移動的對象（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“盜取”其他變量內(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，通過“盜取”的方式可以避免內(nèi)存空間的釋放和分配，能夠延長變量值的生命期。（通過右值引用來續(xù)命）。

xvalue 只能通過兩種方式來獲得，這兩種方式都涉及到將一個左值賦給(轉(zhuǎn)化為)一個右值引用：

• 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 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)

下面通過幾個代碼來詳細(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是一個局部變量，并在函數(shù)結(jié)束時候被返回。

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

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

無論是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：具名的臨時值、同時又能夠被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，對應(yīng)了一塊內(nèi)存。glvalue有l(wèi)value和xvalue兩種形式。

一個表達(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，生成一個不具名的臨時變量，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：

• 無法對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。
• rvalue不能放在賦值或者組合賦值符號的左邊，例如：3 = 5，3 += 5，這些表達(dá)式?jīng)]有意義，也編譯不過。
• rvalue可以用來初始化const左值引用（見下文）。例如：const int& a = 1。
• rvalue可以用來初始化右值引用（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接受 const 的左值引用的形參時，右值將被綁定到右值引用的重載之上。

深入

經(jīng)過前面的內(nèi)容，我們對左值和右值(純右值和將亡值)有了一個初步的認(rèn)識，在本節(jié)，我們借助一些例子，來加深對左值和右值的理解。

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int類型的變量i，并初始化為0。

• ++i的操作是對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
• 對于i++而言，先將i的值進(jìn)行拷貝(此處假設(shè)拷貝到臨時變量ii)，然后再對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?，且是右值，所以i++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得到的是一個不具名的臨時對象，所以x+y是純右值；而x && y和x == y得到的是一個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&y操作得到的是一個地址，即一個long值，所以是一個字面值，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，這個比較特殊。在前面提到過字面值都是純右值(字符串字面值除外)，一個很重要的原因，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)?code style="font-size: 14px;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;background-color: rgba(27, 31, 35, 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(239, 112, 96);">C++將字符串字面值實(shí)現(xiàn)為char型數(shù)組，實(shí)實(shí)在在地為每個字符都分配了空間并且允許程序員對其進(jìn)行操作。如果從存儲區(qū)的概念來理解，那就是字符串字面值存儲在常量區(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，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

在上述代碼中，s是一個左值引用，而a是一個const 左值引用。那么，為什么最后一句int &b = 10;編譯器會報(bào)錯呢？這是因?yàn)?0是常量，而常量是右值，一個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?，右值引用的引入，使得可以延長右值的生命周期。在C++中規(guī)定，右值引用是&&即由2個&表示，而左值引用是一個&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(=)的左邊
• 可以對a取地址

我們在前面有提到過，一個表達(dá)式有兩個屬性，分別為類型和值類別。本節(jié)說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，這個概念很重要，千萬不能混淆。

可能有人會問，除了自己根據(jù)規(guī)則區(qū)分左值引用和右值引用，有沒有更快更準(zhǔn)確的方式來判斷呢？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

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，在寫文的過程中，發(fā)現(xiàn)有些東西，很難用文字來描述。在寫這篇文章的過程中，也糾正了自己長久以來對左值右值的疑惑，因?yàn)檫@塊確實(shí)比較復(fù)雜，所以文章中難免有出錯或者不周全的地方，希望您批評指正。

好了，今天的文章就到這里，我們下期見！

參考

https://en.cppreference.com/w/cpp/language/value_category https://www.internalpointers.com/post/understanding-meaning-lvalues-and-rvalues-c https://www.fatalerrors.org/a/left-value-reference-and-right-value-reference-of-c-c-class-and-object.html https://www.bogotobogo.com/cplusplus/C11/4_C11_Rvalue_Lvalue.php https://users.soe.ucsc.edu/~pohl/code/lvalue.htm