C++11 中的左值、右值和将亡值

C++98 中表达式值的类型只有左值和右值两种类型,可以取到地址的表达式就是左值,不是左值的值就是右值,而C++11中将表达式的值类型划分成了lvalue(左值)、rvalue(右值)、prvalue(纯右值)、xvalue(将亡值)、gvalue(泛左值) 5种。下文从基本概念并结合实际的例子区分C++11中的表达式值类型。

基本概念

表达式

  • 表达式的定义
    定义: 由运算符(operator)和运算对象(operand)构成的计算式(类似于数学上的算术表达式)。
    举例: 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。

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)。这个结果有两个属性:类型和值类别(value categories)。
  • 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)。见下图,


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  • C++11中右值rvalue的概念包括两个部分:
    1. 将亡值(xvalue. expiring value),xvalue是C++11新增的概念,与右值引用相关的表达式,如: 将要被移动的对象、T&&函数返回值、std::move返回值和转换为 T&&的类型的转换函数的返回值等;
    2. 纯右值(pvalue, pure right value),如: 非引用返回的临时变量、运算表达式产生的临时变量、原始字面量和lambda表达式等属于pvalue;

注意:“左值”是表达式的结果的一种属性,但更为普遍地,通常用“左值”来指代左值表达式。所谓左值表达式,就是指求值结果的值类别为左值的表达式。在后文中,我们依然用左值指代左值表达式。对于纯右值和将亡值,亦然。

左值、纯右值和将亡值的描述

左值

  • 描述: 能够用&取地址的表达式是左值表达式。

一个区分左值和右值的便捷方法:看能不能对表达式取地址,若能,则为左值,若不能则为右值。所有的具名变量都是左值,而右值是不具名的。

  • 举例:
    • 函数名和变量名
    • 返回左值引用的函数调用
    • 前置自增/自减运算符连接的表达式++i/--i
    • 由赋值运算符或复合赋值运算符连接的表达式(a=b、a+=b、a%=b)
    • 解引用表达式*p
    • 字符串字面值"abc"

纯右值

  • 描述: 满足下列条件之一的:
    • 1)本身就是赤裸裸的、纯粹的字面值,如3、false;
    • 2)求值结果相当于字面值或是一个不具名的临时对象。
  • 举例:
    • 除字符串字面值以外的字面值
    • 返回非引用类型的函数调用
    • 后置自增/自减运算符连接的表达式i++/i--
    • 算术表达式(a+b、a&b、a<<b)
    • 逻辑表达式(a&&b、a||b、~a)
    • 比较表达式(a==b、a>=b、a<b)
    • 取地址表达式(&a)

将亡值

  • 描述: 在C++11之前的右值和C++11中的纯右值是等价的。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:
    • 1)返回右值引用的函数的调用表达式
    • 2)转换为右值引用的转换函数的调用表达

在C++11中,用左值去初始化一个对象或为一个已有对象赋值时,会调用拷贝构造函数或拷贝赋值运算符来拷贝资源,而当用一个右值(包括纯右值和将亡值)来初始化或赋值时,会调用移动构造函数或移动赋值运算符来移动资源,从而避免拷贝,提高效率。当该右值完成初始化或赋值的任务时,它的资源已经移动给了被初始化者或被赋值者,同时该右值也将会马上被销毁(析构)。也就是说,当一个右值准备完成初始化或赋值任务时,它已经“将亡”了。这种右值常用来完成移动构造或移动赋值的特殊任务,扮演着“将亡”的角色,所以C++11给这类右值起了一个新的名字——将亡值。

  • 举例:std::move()、tsatic_cast<X&&>(x)(X是自定义的类,x是类对象,这两个函数常用来将左值强制转换成右值,从而使拷贝变成移动,提高效率。

C++11中值的类型总结

  • 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

对比说明

情况1: ++i是左值,而i++是右值

  • ++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;
  • 而对于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。假设自增前i的值是6,那么,++i得到的结果是7,这个7有个名字,就是i;而i++得到的结果是6,这个6是i加1前的一个副本,它没有名字,i不是它的名字,i的值此时也是7。
  • 可见,++i和i++都达到了使i加1的目的,但两个表达式的结果不同。

情况2: 解引用表达式*p是左值,取地址表达式&a是纯右值

  • &(p)一定是正确的,因为p得到的是p指向的实体,&(p)得到的就是这一实体的地址,正是p的值。由于&(p)的正确,所以*p是左值。
  • 而对&a而言,得到的是a的地址,相当于unsigned int型的字面值,所以是纯右值。

情况3: a+b、a&&b、a==b都是纯右值

  • a+b得到的是不具名的临时对象,而a&&b和a==b的结果非true即false,相当于字面值。

情况4: 字符串字面值是左值,而非字符串的字面量是纯右值

  • 不是所有的字面值都是纯右值,字符串字面值是唯一例外。
  • 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,所以类似
    cout<<&("abc")<<endl;
    char *p_char="abc";//注意不是char *p_char=&("abc");
    

情况5: 具名的右值引用是左值,不具名的右值引用是右值。

  • 如:
    void foo(int&& t) {
        // t 被一个右值表达式初始化
        // 但是,t 本身是一个左值
    }
    

继续深入学习

C++11中的右值引用和移动语义

参考

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