C++概念：值类别(左值、右值)、引用

AemonSwift
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C++11引入了许多新的概念，本文主要讲清楚这些概念：左值（lvalue）、右值（rvalue）、纯右值（prvalue）、将忙值（xvalue）、泛左值（glvalue）、左值引用、右值引用。

1. 基本概念

1.1. 表达式

由运算符(operator)和运算对象(operand)构成的计算式。例如：数学上的算术表达式、字面值(literal)、变量(variable)、函数的返回值等都是表达式。

1.2. 值类别

表达式是可求值的，对表达式求值将得到一个结果(result)。这个结果有个属性：值类别(value categories)。

注意： 值 (value)和变量(variable)是两个独立的概念：

  • 值只有类别(category)的划分；变量只有类型(type)的划分，例如：int、float、double、引用类型（左值引用，右值引用、常引用）等
  • 值不一定拥有身份(identity)，也不一定拥有变量名

在C++11以后，表达式按值类别分，必然属于以下三者之一：左值(left value,lvalue)，将亡值(expiring value,xvalue)，纯右值(pure rvalue,pralue)。其中，左值和将亡值合称泛左值(generalized lvalue,glvalue)，纯右值和将亡值合称右值(right value,rvalue)。

2. 左值、纯右值和将亡值的描述

2.1. 左值

存储单元内的值，即是有实际存储地址的。故它是能够使用&取地址的表达式。左值一般有如下：

  • 函数名和变量名
  • 返回左值引用的函数调用
  • 由赋值表达式或赋值运算符连接的表达式(a=b, a += b等)
  • 前置自增自减表达式++i、--i （根据前置运算规则，++i对i加1后再赋给i，最终的返回值就是i，所以，++i的结果是具名的，名字就是i）
  • 字符串字面值"abcd"（早期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）
cout<<&("abc")<<endl;
char *p_char="abc";//注意不是char *p_char=&("abc");
  • 解引用表达式*p

2.2. 纯右值

在C++11之前纯右值和右值时等价的。所谓右值，即不是存储单元内的值，比如它可能是寄存器内的值也可能是立即数。可以归结满足下列条件之一：

  • 本身就是赤裸裸的、纯粹的字面值，如3、false；
  • 求值结果相当于字面值或是一个不具名的临时对象。
int i = 1; // 右值1就是立即数

/**********/
int fn() { return 1; }
int main() { int i = fn(); } // fn()的返回值就是寄存器内值

常见的纯右值右如下：

  • 除字符串字面值外的字面值
  • 返回非引用类型的函数调用
  • 后置自增自减表达式i++、i--（后置运算规则：对于i++而言，是先对i进行一次拷贝，将得到的副本作为返回结果，然后再对i加1，由于i++的结果是对i加1前i的一份拷贝，所以它是不具名的。）
  • 算术表达式(a+b, a*b, a&&b, a==b等)
  • 取地址表达式等(&a)

2.3. 将忙值

C++11中的将亡值是随着右值引用的引入而新引入的。换言之，“将亡值”概念的产生，是由右值引用的产生而引起的，将亡值与右值引用息息相关。所谓的将亡值表达式，就是下列表达式：

  • 返回右值引用的函数的调用表达式
  • 转换为右值引用的转换函数的调用表达

将亡值进一步可以理解为即将要销毁的值，通过“盗取”其它变量内存空间方式获取的值，在确保其它变量不再被使用或者即将被销毁时，可以避免内存空间的释放和分配，延长变量值的生命周期，常用来完成移动构造或者移动赋值的特殊任务。

2.4. 值类别总结

  • gvalue: has identity
  • lvalue: has identity and can not be moved from
  • rvalue: can be moved from
  • xvalue: has identity and can be moved from
  • prvalue: does not have identity and can be moved from

3. 引用：左值引用、右值引用

在《C++的设计与演化》书中曾说过，当初加入“引用”这个语言特性的契机是运算符重载。为了让运算符重载的语法能够更加接近内建的运算符，需要能够让一个函数返回一个左值，通俗的讲就是要能够对一个函数的返回值赋值。例如支持下列语法：

IntArray a;
... ...
a[10] = 9527;  // 你想要的效果

显然你需要为IntArray增加一个运算符重载，而运算符重载是一个函数，上面你想要的那一句实际上是一个函数调用：

IntArray a;
... ...
a.operator[](10) = 9527;  // 实际的语义

这个时候你就得思量一下operator[]的返回值是什么。C语言里只有两个选择，返回int或者返回int*，前者返回出来的是个拷贝，无法赋值，后者的话需要改成*(a[10]) = xxx，失了语法方便的本意。为了解决这个两难问题，所以加上了引用这个特性。

在变量初始化 (initialization) 时，需要将 初始值(initial value)绑定到变量上；但引用类型变量 的初始化 和其他的值类型（非引用类型）变量不同：

  • 创建时，必须显式初始化（和指针不同，不允许 空引用(null reference)；但可能存在 悬垂引用(dangling reference)）
  • 相当于是 其引用的值 的一个 别名(alias)（例如，对引用变量的 赋值运算(assignment operation) 会赋值到 其引用的值 上）
  • 一旦绑定了初始值，就 不能重新绑定 到其他值上了（和指针不同，赋值运算不能修改引用的指向；而对于 Java/JavaScript 等语言，对引用变量赋值 可以重新绑定）

引用可以分为左值引用（C++11以前都是左值引用）和右值引用（C++11提出的概念）。所谓左值引用就是对左值进行引用的类型，右值引用就是对右值进行引用的类型，他们都是引用，可以看作都是对象的一个别名，并不拥有所绑定对象的内存，所以都必须立即初始化。

type &name = exp; // 左值引用
type &&name = exp; // 右值引用

进一步我们可以左值引用、右值引用细分为如下：

  • 左值引用T & : 只能用于绑定左值的引用，即非const左值。
  • 常量左值引用const T &: 常量左值引用可以绑定左值或者右值，即const左值、非const左值、const右值、非onst右值。(因此，当类的声明中没有移动构造函数时，即A(A&& rhs){}，传递临时变量，任然可以调用A(const A& rsh){}构造函数进行构造)
  • 具名非const右值引用T && : 只能绑定到非const右值
  • 具名const右值引用const T && : 绑定到const右值和非const右值，它没有现实意义（毕竟右值引用的初衷在于移动语义，而移动就意味着修改）
  • 无名右值引用std::move(T): 没有变量名的右值引用，不能绑定左值或者右值，生命周期在下一个分号结束。
  • 函数类型例外
int foo() {
  return 0;
}
int a = 0;
int &b = a;                 //可以， 左值引用绑定左值
int &c = 1;                  //不行，左值引用不能绑定右值
int &d = foo();            //不行，左值引用不能绑定右值
const int &e = a;        //可以，常量左值引用可以绑定左值
const int &f = foo();   //可以，常量左值引用可以绑定右值
int && g = b;             //不可以，具名右值引用不可以绑定左值
int && h = foo();        //可以，具名右值引用绑定右值
int && i = a + a;        //可以，具名右值引用绑定右值
std::move(a) = 1;        //不可以，无名右值引用不能绑定左值或者右值
int && j = std::move(a);//可以，具名右值引用绑定无名右值引用
/***********************/
void fun() {}
typedef decltype(fun) FUN;  // typedef void FUN();
FUN       &  lvalue_reference_to_fun       = fun; // ok
const FUN &  const_lvalue_reference_to_fun = fun; // ok
FUN       && rvalue_reference_to_fun       = fun; // ok
const FUN && const_rvalue_reference_to_fun = fun; // ok

3.1 引用参数重载优先级

针对不同左右值 实参 (argument) 重载 引用类型 形参 (parameter) 的优先级如下：

实参/形参T&const T&T&&const T&&
lvalue12--
const lvalue-1--
rvalue-312
const rvalue-2-1
  • 数值越小，优先级越高；如果不存在，则重载失败。
  • 如果同时存在 传值(by value) 重载（接受值类型参数 T），会和上述 传引用(by reference) 重载产生歧义，编译失败。
  • 常右值引用(const rvalue reference)const T&& 一般不直接使用。原因：右值引用主要的目的是移动对象而不是拷贝对象；而移动后的目的在于修改它。

3.1. 深入探索左值引用

本质上是开辟了内存用于保存被引用变量的地址。实际上，只要一旦使用，在编译器内部就会自动进行解应用。也就是说永远不可能访问到引用变量b的地址，因为每当你使用引用时，已经经过解引用。


void func3() 
{
	int a = 5;
	int &ra = a;
}

对应的汇编为：

.globl	_Z5func3v
	.type	_Z5func3v, @function
_Z5func3v:
.LFB2:
	.cfi_startproc
	pushl	%ebp
	.cfi_def_cfa_offset 8
	.cfi_offset 5, -8
	movl	%esp, %ebp
	.cfi_def_cfa_register 5
	subl	$16, %esp
	movl	$5, -8(%ebp)     // 即 a=5
	leal	-8(%ebp), %eax   // 将a的地址保存到ax寄存器
	movl	%eax, -4(%ebp)   // 在栈上开辟空间，将ax的内容（即a的地址）存放到该内存中
	leave
	.cfi_restore 5
	.cfi_def_cfa 4, 4
	ret
	.cfi_endproc
.LFE2:
	.size	_Z5func3v, .-_Z5func3v

3.2. 深入探索具名右值引用

具名右值引用会为自己的引用的内容开辟了一块内存空间。此时一个具名右值引用所需要的空间为 内容地址(x64: 8字节) + 内容大小，比如下面的例子，在栈上开辟了12字节，后4字节存放(int)1，前8字节存放内容的地址。

int main() {
  int &&a = 1;
  return 0;
}

其汇编为：

    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    movl    $1, %eax
    movl    %eax, -12(%rbp)     ;  [rbp - 12 , rbp - 8) <-- (int)1
    leaq    -12(%rbp), %rax      ;  取地址，rax = rbp - 12
    movq    %rax, -8(%rbp)      ; 存地址 [rbp - 8, rbp) <--- rbp - 12
    movl    $0, %eax
    popq    %rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc

因此，我们可以修改具名右值引用的内容，而无需像左值引用一样必须先申请一个变量。例如：

#include <iostream>
int foo() {
  return 0;
}
int main() {
  int &&a = foo();
  a = 2;
  std::cout<<a<<std::endl; //输出为2
}

所以在具名右值引用的操作下，我们可以修改右值通过如下方式：

  • 通过具名右值引用本身直接修改
  • 通过T & = T && 的方式让其他引用修改
#include <iostream>
int main() {
    int &&a = 0;
    int &b=a;
    b=4;
    std::cout<<a<<std::endl;
}

4. 参考文献

左值引用、右值引用、移动语义、完美转发，你知道的不知道的都在这里
C++11新特性：std::move()和std::forward()
C++11 std::move和std::forward
详解C++11中移动语义(std::move)和完美转发(std::forward)
[C/C++]关于C++11中的std::move和std::forward
左值 右值 左值引用 右值引用 std::move std::forward C++11 中的左值、右值和将亡值
用汇编解释左值，右值，临时变量和引用

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