【Modern C++】深入理解左值、右值

400次阅读  |  发布于2年以前

作为C/C++开发人员，在平时的项目开发过程中，或多或少的听过左值和右值的概念，甚至在编译器报错的时候，遇到过lvalue和rvalue等字样；甚至使用过std::move()，但是不知道其含义。作为多年的C++开发人员，一直以来，对左值右值的理解没有一个系统的认识，总感觉似懂非懂。今天，借助本文，详细的介绍下这些知识点，并从代码实例的角度去分析什么是左值或者右值，同时，也算是给自己知识点做一个总结。

背景

作为C++开发人员，相信我们都写过如下代码：

void fun(int &x) {
//
}

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

在编译的时候，会提示如下：

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

其中上述报错中的rvalue就是10，也就是说10就是rvalue，那么到底什么是rvalue，rvalue的意义是什么？这就是本文的目的，通过本文，让你彻底搞清楚什么C++下的值类别，以及如何区分左值、纯右值和将亡值。

本文的主要内容如下图所示：

历史

在正式介绍左值和右值之前，我们先介绍下其历史。

编程语言CPL第一次引入了值类别，不过其定义比较简单，即对于赋值运算符，在运算符左边的为左值，在运算符右边的为右值。

C语言遵循与CPL类似的分类法，但是弱化了赋值的作用，C语言中的表达式被分为左值和其它(函数和非对象值)，其中左值被定义为标识一个对象的表达式。不过，C语言中的左值与CPL中的左值区别是，在C语言中lvalue是locator value的简写，因此lvalue对应了一块内存地址。

C++11之前，左值遵循了C语言的分类法，但与C不同的是，其将非左值表达式统称为右值，函数为左值，并添加了引用能绑定到左值但唯有const的引用能绑定到右值的规则。几种非左值的C表达式在C++中成为了左值表达式。

自C++11开始，对值类别又进行了详细分类，在原有左值的基础上增加了纯右值和消亡值，并对以上三种类型通过是否具名(identity)和可移动(moveable)，又增加了glvalue和rvalue两种组合类型，在后面的内容中，会对这几种类型进行详细讲解。

表达式

C/C++代码是由标识符、表达式和语句以及一些必要的符号(大括号等)组成。

表达式由按照语言规则排列的运算符，常量和变量组成。一个表达式可以包含一个或多个操作数，零个或多个运算符来计算值。每个表达式都会产生一些值，该值将在赋值运算符的帮助下分配给变量。

在C/C++中，表达式有很多种，我们常见的有前后缀表达式、条件运算符表达式等。字面值(literal)和变量(variable)是最简单的表达式，函数的返回值也被认为是表达式。

表达式是可求值的，对表达式求值可得到一个结果，这个结果有两个属性:

值类别

在上节中，我们提到表达式是可求值的，而值类别就是求值结果的属性之一。

在C++11之前，表达式的值分为左值和右值两种，其中右值就是我们理解中的字面值1、true、NULL等。

自C++11开始，表达式的值分为左值(lvalue, left value)、将亡值(xvalue, expiring value)、纯右值(pvalue, pure ravlue)以及两种混合类别泛左值(glvalue, generalized lvalue)和右值(rvalue, right value)五种。

这五种类别的分类基于表达式的两个特征：

结合上述两个特征，对五种表达式值类别进行重新定义：

用图表示如下：

从glvalue和rvalue出发，将具名(indentity)和可移动两个特征结合起来，如下图所示：

在上图中，I代表indentity，M代表moveable。以xvalue为例，在上图中xvalue为(I&M)，即代表具名且可移动。

对于indentity，有些文章译为有身份的，有些文章译为具名的，本文统一称为具名的。

左值

左值(lvalue,left value)，顾名思义就是赋值符号左边的值。准确来说，左值是表达式结束（不一定是赋值表达式）后依然存在的对象。

可以将左值看作是一个关联了名称的内存位置，允许程序的其他部分来访问它。在这里，我们将 "名称" 解释为任何可用于访问内存位置的表达式。所以，如果 arr 是一个数组，那么 arr[1] 和 *(arr+1) 都将被视为相同内存位置的“名称”。

左值具有以下特征：

那么哪些都是左值呢?查了相关资料，做了些汇总，基本覆盖了所有的类型：

为了能够更加清晰地理解左值，我们举例：

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为左值
arr[1] = 2; // 左值
int *p = &a; // p为左值
*p = 10; // *p为左值
class MyClass{};
MyClass c; // c为左值
"abc"

对于一个表达式，凡是对其取地址（&）操作可以成功的都是左值

纯右值

在前面有提过，自C++11开始，纯右值(pvalue, pure ravlue)相当于之前的右值，那么什么是纯右值呢？

字面值或者函数返回的非引用都是纯右值。

以下表达式的值都是纯右值：

为了加深对右值的理解，下面的例子是常见的纯右值：

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

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

a++;
b--;

a > b;
a && b;

纯右值特征：

将亡值

将亡值(xvalue, expiring value)，顾名思义即将消亡的值，是C++11新增的跟右值引用相关的表达式，通常是将要被移动的对象（移为他用），比如返回右值引用T&&的函数返回值、std::move的返回值，或者转换为T&&的类型转换函数的返回值。

将亡值可以理解为通过“盗取”其他变量内存空间的方式获取到的值。在确保其他变量不再被使用、或即将被销毁时，通过“盗取”的方式可以避免内存空间的释放和分配，能够延长变量值的生命期。（通过右值引用来续命）。

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：

下面通过几个代码来详细分析什么是将亡值：

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

std::string s = fun();

在函数fun()中，str是一个局部变量，并在函数结束时候被返回。

在C++11之前，s = fun();会调用拷贝构造函数，会将整个str复制一份，然后把str销毁。如果str特别大的话，会造成大量额外开销。在这一行中，s是左值，fun()是右值(纯右值)，fun()产生的那个返回值作为一个临时值，一旦str被s复制后，将被销毁，无法获取、也不能修改。

自C++11开始，引入了move语义，编译器会将这部分优化成move操作，即不再是之前的复制操作，而是move。此时，str会被进行隐式右值转换，等价于static_cast<std::string&&>(str)，进而此处的 s 会将 foo 局部返回的值进行移动。

无论是C++11之前的拷贝，还是C++11的move，str在填充(拷贝或者move)给s之后，将被销毁，而被销毁的这个值，就成为将亡值。

将亡值就定义了这样一种行为：具名的临时值、同时又能够被move。

混合类型

泛左值

泛左值（glvalue, generalized lvalue），又称为广义左值，是具名表达式，对应了一块内存。glvalue有lvalue和xvalue两种形式。

一个表达式是具名的，则称为glvalue，例子如下：

struct S{
  int n;
};

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

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

在上述代码中：

glvalue的特征如下：

右值

右值(rvalue, right value)是指可以移动的表达式。prvalue和xvalue都是rvalue，具体的示例见下文。

rvalue具有以下特征：

深入

经过前面的内容，我们对左值和右值(纯右值和将亡值)有了一个初步的认识，在本节，我们借助一些例子，来加深对左值和右值的理解。

前置自增(减)是左值，后置自增(减)是纯右值

代码如下：

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

在上面代码中，我们定义了一个int类型的变量i，并初始化为0。

算术表达式是纯右值

代码如下：

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

在上述代码中，x + y得到的是一个不具名的临时对象，所以x+y是纯右值；而x && y和x == y得到的是一个bool常量值，要么是true要么是false，所以是纯右值。

解引用是左值，取地址是纯右值

代码如下：

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

*y得到的是y指向地址的实际值，所以&(*y)是合法的，因此*y是左值;对&y操作得到的是一个地址，即一个long值，所以是一个字面值，因此&y是纯右值。

字符串字面值是左值

字符串字面值为左值，这个比较特殊。在前面提到过字面值都是纯右值(字符串字面值除外)，一个很重要的原因，就是可以字符串字面值可以获取地址，

下面代码在编译器中可正常编译且运行：

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

这是因为C++将字符串字面值实现为char型数组，实实在在地为每个字符都分配了空间并且允许程序员对其进行操作。如果从存储区的概念来理解，那就是字符串字面值存储在常量区。

引用

既然提到了左值右值，就得提一下引用。

在C++11之前，引用分为左值引用和常量左值引用两种，但是自C++11起，引入了右值引用，也就是说，在C++11中，包含如下3中引用：

左值引用和常量左值引用，我们很常见，如下代码：

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

const int &a = 10;

int &b = 10; // 错

在上述代码中，s是一个左值引用，而a是一个const 左值引用。那么，为什么最后一句int &b = 10;编译器会报错呢？这是因为10是常量，而常量是右值，一个右值怎么能够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，这不废话嘛。

在C++11中引入了右值引用，因为右值的生命周期很短，右值引用的引入，使得可以延长右值的生命周期。在C++中规定，右值引用是&&即由2个&表示，而左值引用是一个&表示。右值引用的作用是为了绑定右值。

为了能区分左值引用和右值引用，代码如下：

int a = 1;
int &rb = a; // b为左值引用
int &&rrb = a; // 错误，a是左值，右值引用不能绑定左值
int &&rrb1 = 1; // 正确，1为右值
int &rb1 = i * 2; // 错误，i * 2是右值，而rb1位左值引用
int &&rrb2 = i * 2; // 正确
const int &c = 1; // 正确
const int &c1 = i * 2; // 正确

在这里，我们需要特别注意的一点就是右值引用虽然是引用右值，但是其本身是左值，以下代码为例：

int &&a = 1;

在上述代码中，a是一个右值引用，但是其本身是左值，合适因为：

我们在前面有提到过，一个表达式有两个属性，分别为类型和值类别。本节说的左值引用和右值引用就属于类型,而左值和右值则属于值类别范畴，这个概念很重要，千万不能混淆。

可能有人会问，除了自己根据规则区分左值引用和右值引用，有没有更快更准确的方式来判断呢？其实，系统提供了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;

输出结果：

1
0
1

结语

这篇文章是在整理了大量资料，结合自己的理解之后完成的。左值右值这种本身就比较抽象，在写文的过程中，发现有些东西，很难用文字来描述。在写这篇文章的过程中，也纠正了自己长久以来对左值右值的疑惑，因为这块确实比较复杂，所以文章中难免有出错或者不周全的地方，希望您批评指正。

好了，今天的文章就到这里，我们下期见！

参考

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

Copyright© 2013-2020

All Rights Reserved 京ICP备2023019179号-8