【转载】理解 C/C++ 中的左值和右值

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理解 C/C++ 中的左值和右值

本文翻译自 Eli Bendersky’s website。

原文：Understanding lvalues and rvalues in C and C++

翻译者：nettee



我们在 C/C++ 编程中并不会经常用到 左值 (lvalue) 和 右值 (rvalue) 两个术语。然而一旦遇见，又常常不清楚它们的含义。最可能出现两这个术语的地方是在编译错误或警告的信息中。例如，使用 gcc 编译以下代码时：


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int foo() {return 2;}

int main()
{
    foo() = 2;

    return 0;
}


你会得到：


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test.c: In function 'main':
test.c:8:5: error: lvalue required as left operand of assignment


没错，这个例子有点夸张，不像是你能写出来的代码。不过错误信息中提到了左值 (lvalue)。另一个例子是当你用 g++ 编译以下代码：


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int& foo()
{
    return 2;
}


现在错误信息是：


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testcpp.cpp: In function 'int& foo()':
testcpp.cpp:5:12: error: invalid initialization of non-const reference of type 'int&' from an rvalue of type 'int'


同样的，错误信息中提到了术语右值 (rvalue)。那么，在 C 和 C++ 中，左值 和 右值 到底是什么意思呢？我这篇文章将会详细解释。


简单的定义


这里我故意给出了一个 左值 和 右值 的简化版定义。文章剩下的部分还会进行详细解释。


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。


举例


上面的术语定义显得有些模糊，这时候我们就需要马上看一些例子。我们假设定义并赋值了一个整形变量：


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int var;
var = 4;


赋值操作需要左操作数是一个左值。var 是一个有内存位置的对象，因此它是左值。然而，下面的写法则是错的：


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4 = var;       // 错误！
(var + 1) = 4; // 错误！


常量 4 和表达式 var + 1 都不是左值（也就是说，它们是右值），因为它们都是表达式的临时结果，而没有可识别的内存位置（也就是说，只存在于计算过程中的每个临时寄存器中）。因此，赋值给它们是没有任何语义上的意义的——我们赋值到了一个不存在的位置。


那么，我们就能理解第一个代码片段中的错误信息的含义了。foo 返回的是一个临时的值。它是一个右值，赋值给它是错误的。因此当编译器看到 foo() = 2 时，会报错——赋值语句的左边应当是一个左值。


然而，给函数返回的结果赋值，不一定总是错误的操作。例如，C++ 的引用让我们可以这样写：


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int globalvar = 20;

int& foo()
{
    return globalvar;
}

int main()
{
    foo() = 10;
    return 0;
}


这里 foo 返回一个引用。引用一个左值，因此可以赋值给它。实际上，C++ 中函数可以返回左值的功能对实现一些重载的操作符非常重要。一个常见的例子就是重载方括号操作符 []，来实现一些查找访问的操作，如 std::map 中的方括号：


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std::map<int, float> mymap;
mymap[10] = 5.6;


之所以能赋值给 mymap[10]，是因为 std::map::operator[] 的重载返回的是一个可赋值的引用。


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：


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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：


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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：


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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：


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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：


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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：


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#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。


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：


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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：


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Intvec v1(20);
Intvec v2;

cout << "assigning lvalue...\n";
v2 = v1;
cout << "ended assigning lvalue...\n";


运行输出的结果是：


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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：


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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：


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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=：


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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：


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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。