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C++中左值和右值

https://nettee.github.io/posts/2018/Understanding-lvalues-and-rvalues-in-C-and-C/

定义

  • 左值 (lvalue, locator value) 表示了一个占据内存中某个可识别的位置(也就是一个地址)的对象。
  • 右值 (rvalue) 则使用排除法来定义。一个表达式不是 左值 就是 右值 。 那么,右值是一个 不 表示内存中某个可识别位置的对象的表达式。

可修改的左值

  • 左值一开始在 C 中定义为“可以出现在赋值操作左边的值”。然而,当 ISO C 加入 const 关键字后,这个定义便不再成立。毕竟:

      const int a = 10; // 'a' 是左值
      a = 10;           // 但不可以赋值给它!
    

于是定义需要继续精化。不是所有的左值都可以被赋值。可赋值的左值被称为 可修改左值 (modifiable lvalues) 。

  • C99标准定义可修改左值为:

    […] 可修改左值是特殊的左值,不含有数组类型、不完整类型、const 修饰的类型。如果它是 struct 或 union,它的成员都(递归地)不应含有 const 修饰的类型。

左值与右值间的转换

  • 通常来说,计算对象的值的语言成分,都使用右值作为参数。例如,两元加法操作符 '+' 就需要两个右值参数,并返回一个右值:

      int a = 1;     // a 是左值
      int b = 2;     // b 是左值
      int c = a + b; // + 需要右值,所以 a 和 b 被转换成右值
                     // + 返回右值
    

    在例子中,a 和 b 都是左值。因此,在第三行中,它们经历了隐式的 左值到右值转换 。除了数组、函数、不完整类型的所有左值都可以转换为右值。

  • 那右值能否转换为左值呢?当然不能!根据左值的定义,这违反了左值的本质。【注1:右值可以显式地赋值给左值。之所以没有隐式的转换,是因为右值不能使用在左值应当出现的位置。】

  • 不过,右值可以通过一些更显式的方法产生左值。例如,一元解引用操作符 '*' 需要一个右值参数,但返回一个左值结果。考虑这样的代码:

      int arr[] = {1, 2};
      int* p = &arr[0];
      *(p + 1) = 10;   // 正确: p + 1 是右值,但 *(p + 1) 是左值
    
  • 相反地,一元取地址操作符 '&' 需要一个左值参数,返回一个右值:

      int var = 10;
      int* bad_addr = &(var + 1); // 错误: 一元 '&' 操作符需要左值参数
      int* addr = &var;           // 正确: var 是左值
      &var = 40;                  // 错误: 赋值操作的左操作数需要是左值
    
  • 在 C++ 中 '&' 符号还有另一个功能——定义引用类型。引用类型又叫做“左值引用”。因此,不能将一个右值赋值给(非常量的)左值引用:

      std::string& sref = std::string();  // 错误: 非常量的引用 'std::string&' 错误地使用右值 'std::string` 初始化
    
  • 常量的 左值引用可以使用右值赋值。因为你无法通过常量的引用修改变量的值,也就不会出现修改了右值的情况。这也使得 C++ 中一个常见的习惯成为可能:函数的参数使用常量引用接收参数,避免创建不必要的临时对象。

CV 限定的右值

  • 如果我们仔细阅读 C++ 标准中关于左值到右值的转换的部分【注2:在新的 C++11 标准草稿的第 4.1 节】,我们会发现:

    一个非函数、非数组的类型 T 的左值可以转换为右值。 […] 如果 T 不是类类型【译注:类类型即 C++ 中使用类定义的类型,区别与内置类型】,转换后的右值的类型是 T 的 未限定 CV 的版本 (cv-unqualified version of T)。其他情况下,转换后的右值类型就是 T 本身。

  • 什么叫做 “未限定 CV” (cv-unqualified) 呢? CV 限定符 这个术语指的是 const 和 volatile 两个类型限定符。C++ 标准的 3.9.3 节写到:

    每个类型都有三个对应的 CV-限定类型版本: const 限定 、 volatile 限定 和 const-volatile 限定 版本。有或无 CV 限定的不同版本的类型是不同的类型,但写法和赋值需求都是相同的。

  • 那么,这些又和右值有什么关系呢?在 C 中,只有左值有 CV 限定的类型,而右值从来没有。而在 C++ 中,类右值可以有 CV 限定的类型,但内置类型 (如 int) 则没有。考虑下面的例子:

      #include <iostream>
      
      class A {
      public:
          void foo() const { std::cout << "A::foo() const\n"; }
          void foo() { std::cout << "A::foo()\n"; }
      };
      
      A bar() { return A(); }
      const A cbar() { return A(); }
      
      
      int main()
      {
          bar().foo();  // calls foo
          cbar().foo(); // calls foo const
      }
    

    main 中的第二个函数调用实际上调用的是 A 中的 foo() const 函数,因为 cbar 返回的类型是 const A,这和 A 是两个不同的类型。这就是上面的引用中最后一句话所表达的意思。另外注意到,cbar 的返回值是一个右值,所以这是一个实际的 CV 限定的右值的例子。

C++11 的右值引用

  • C++11 标准中引入的最强有力的特性就是右值引用,以及相关的 移动语义 (move semantics) 概念。

  • 这篇文章的大部分内容都在解释:左值和右值的主要区别是,左值可以被修改,而右值不能。不过,C++11 改变了这一区别。在一些特殊的情况下,我们可以使用右值的引用,并对右值进行修改。

  • 假设我们要实现一个“整数的 vector”,一些相关的函数可能是这样定义的:

      class Intvec
      {
      public:
          explicit Intvec(size_t num = 0)
              : m_size(num), m_data(new int[m_size])
          {
              log("constructor");
          }
      
          ~Intvec()
          {
              log("destructor");
              if (m_data) {
                  delete[] m_data;
                  m_data = 0;
              }
          }
      
          Intvec(const Intvec& other)
              : m_size(other.m_size), m_data(new int[m_size])
          {
              log("copy constructor");
              for (size_t i = 0; i < m_size; ++i)
                  m_data[i] = other.m_data[i];
          }
      
          Intvec& operator=(const Intvec& other)
          {
              log("copy assignment operator");
              Intvec tmp(other);
              std::swap(m_size, tmp.m_size);
              std::swap(m_data, tmp.m_data);
              return *this;
          }
      private:
          void log(const char* msg)
          {
              cout << "[" << this << "] " << msg << "\n";
          }
      
          size_t m_size;
          int* m_data;
      };
    
  • 这样,我们定义了基本的构造器、析构器、拷贝构造器 (copy constructor) 和拷贝赋值操作符 (copy assignment operator) 【注4:拷贝赋值操作符的实现是在考虑异常安全角度的规范写法。结合使用拷贝构造器和不会抛出异常的std::swap,可以保证在异常发生时不会出现未初始化的内存】。它们都有一个 logging 函数,让我们能知道是否调用了它们。

  • 运行一个将 v1 的内容拷贝到 v2 的代码:

      Intvec v1(20);
      Intvec v2;
      
      cout << "assigning lvalue...\n";
      v2 = v1;
      cout << "ended assigning lvalue...\n";
    
  • 运行输出的结果是:

      assigning lvalue...
      [0x28fef8] copy assignment operator
      [0x28fec8] copy constructor
      [0x28fec8] destructor
      ended assigning lvalue...
    
  • 这是正常的结果,准确展示了 operator= 的内部过程。但假设我们要将一个右值赋值给 v2:

      cout << "assigning rvalue...\n";
      v2 = Intvec(33);
      cout << "ended assigning rvalue...\n";
    
  • 虽然这里的例子中是赋值一个新创建的 vector,但它可以代表更一般的情况——创建了一个临时的右值,然后赋值给 v2 (例如当一个函数返回 vector 的情况)。我们会得到这样的输入:

      assigning rvalue...
      [0x28ff08] constructor
      [0x28fef8] copy assignment operator
      [0x28fec8] copy constructor
      [0x28fec8] destructor
      [0x28ff08] destructor
      ended assigning rvalue...
    
  • 这看起来就要很多步骤了。特别是这里调用了额外的一对构造器/析构器,用来创建和销毁一个临时的对象。然而,在拷贝赋值操作符中,也创建和销毁了 另一个 临时的对象。这完全是多余的没有意义的工作。

  • 不过现在你不需要多一个临时对象了。C++11 引入了右值引用,让我们可以实现“移动语义” (move semantics),特别是可以实现“移动赋值操作符” (move assignment operator) 【注5:文章中一直将 operator= 叫做 “拷贝赋值操作符” (copy assignment operator)。在 C++11 中,区分这两个概念是很重要的】。我们可以为 Intvec 加上另一个 operator=

      Intvec& operator=(Intvec&& other)
      {
          log("move assignment operator");
          std::swap(m_size, other.m_size);
          std::swap(m_data, other.m_data);
          return *this;
      }
    
  • 符号 && 代表了新的 右值引用 (rvalue reference) 。顾名思义,右值引用可以让我们创建对右值的引用。而且在调用结束后,右值引用就会被销毁。我们可以利用这个特性将右值的内部内容“偷”过来——因为我们不再需要使用这个右值对象了!这样得到的输出是:

      assigning rvalue...
      [0x28ff08] constructor
      [0x28fef8] move assignment operator
      [0x28ff08] destructor
      ended assigning rvalue...
    
  • 由于将一个右值赋值给了 v2,移动赋值操作符被调用。虽然 Intvec(33) 仍然会创建一个临时对象,调用其构造器和析构器,但赋值操作符中的另一个临时对象不会再创建了。这个赋值操作符直接将右值的内部内容和自己的相交换,自己获得右值的内容,然后右值的析构器会销毁自己原先的内容,而这一内容已经不需要了。优雅。

  • 再提醒一遍,这个例子只展示了移动语义和右值引用的冰山一角。你可以猜到,这实际上是一个复杂的话题,要考虑很多特殊情况和陷阱。我是想展示一个 C++ 中左值右值区别的一个很有趣的应用。编译器显然知道哪里是个右值,会在编译时选择调用合适的构造器。

总结

  • 即使不考虑左值和右值的问题,你也可以写很多 C++ 代码,然后把这些问题看作编译器某些错误警告中奇怪的行话。然而,这篇文章想表明,对这个问题有一些领悟的话,会使你能更深入地理解一些 C++ 代码,也更能弄懂一些 C++ 规范和语言专家的讨论。

  • 另外,在新的 C++ 规范中,因为 C++11 引入了右值引用和移动语义,这个话题变得更重要了。要想真正理解这个语言的一些新特性,透彻地理解左值和右值就变得重要了。