快速了解C/C++的左值和右值

c/c++

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2019-4-1

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最近在segmentfault上看到一个提问《c++隐式的类类型转换问题》:一时不知怎么回答,查阅相关资料后整理了本文,以供参考学习。

定义

早期的C给出的定义:左值是一个表达式,可能出现在赋值操作的左边或右边,但右值只能出现在右边。比如:

a * b = 42; // 编译错误, 说明 a * b 不是左值

因为上面的定义实在太模糊,导致左值和右值很难被理解,下面给出的定义,更简单更好理解:
左值(lvalue)是一个表达式,它表示一个可被标识的(变量或对象的)内存位置,并且允许使用&操作符来获取这块内存的地址。如果一个表达式不是左值,那它就被定义为右值。

  int i = 42;
  i = 43; 
  int* p = &i; // ok, i 是左值
  int& foo();
  foo() = 42; // ok, foo() 是左值
  int* p1 = &foo(); // ok, foo() 是左值

  int foobar();
  int j = 0;
  j = foobar(); // ok, foobar() 是右值
  int* p2 = &foobar(); // 错误,不能获取右值的地址
  j = 42; // ok, 42 是右值

左值和右值之间的转换

一般上讲,对象之间的运算,对象是以右值的形式参与的。比如二元运算符+两边的参数以右值传入,加后的返回结果也是右值:

int a = 1;     // a 是左值
int b = 2;     // b 是左值
int c = a + b; // a和b自动转换为右值求和

那些表示数组、函数和非完整类型的左值是不能转换为右值的,因为无法对那些类型进行求值。incomplete types指的是类型定义不完整,只能用指针形式声明的类型,在头文件中经常会使用。

左值引用

C++中可以使用&符定义引用,如果一个左值同时是引用,就称为“左值引用”,如:

std::string s;
std::string& sref = s;  //sref为左值引用

非const左值引用不能使用右值对其赋值

std::string& r = std::string();  //错误!std::string()产生一个临时对象,为右值

假设可以的话,就会遇到一个问题:如何修改右值的值?因为引用是可以后续被赋值的。根据上面的定义,右值连可被获取的内存地址都没有,也就谈不上对其进行赋值。

但const左值引用不一样,因为常量不能被修改,也就不存在上面的问题:

const std::string& r = std::string();  //可以

我们经常使用const左值引用作为函数的参数类型,可以减少不必要的对象复制:

class MyString {
public:
    ...
    MyString &MyString(string& s);  //参数类型为左值引用
    ...
};

int main() 
{
    MyString s1("XXX");  //错误
    MyString s2(string("XXXX")); //同上,右值不能赋值给左值引用
}

MyString& MyString(string& a);改成MyString& MyString(const string& a);就不会有上面的编译错误。

带CV限定符(CV-qualified)的右值

C++标准中关于左值转右值的讨论,有这样一段话:

类型为T的左值(非函数、非数组类型)可以被转换为右值。如果T不是类(class)类型,转换后的右值的类型将为不带CV限定符的T类型,否则转换后的右值的类型为T。

什么是CV限定符?如果变量声明时类型前带有const或volatile,就说此变量类型具有CV限定符。

在C中,右值永远没有CV限定符,而C++中的类类型的右值可以有CV限定符,看下面代码:

#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(); }           //返回临时对象,为右值
const A cbar() { return A(); }    //返回带const的右值(带CV限定符)


int main()
{
    bar().foo();  // 非const对象调用A::foo()的非const版本
    cbar().foo(); // const对象调用A::foo()的const版本
}

也就是说,如果是类类型,从左值转为右值时,它的CV限定符会被保留。这里就不给出示例代码了。

右值引用(C++11)

右值引用及其相关的move语义是C++11新引入的最强大的特性之一。前文说到,左值(非const)可以被修改(赋值),但右值不能。但C++11引入的右值引用特性,打破了这个限制,允许我们获取右值的引用,并修改之。让我们先看点代码:
定义一个类Intvec及其赋值操作符重载函数如下:

class Intvec
{
public:
    ...
    Intvec& operator=(const Intvec& other)
    {
        log("copy assignment operator");
        Intvec tmp(other);  //构造一个临时对象,因为other为const,不能被修改
        std::swap(m_size, tmp.m_size);
        std::swap(m_data, tmp.m_data);  
        //跟临时对象交换值,临时对象晰构时会delete [] m_data
        return *this;
    }
private:
    size_t m_size;  
    int* m_data;     //存放int数组,构造时动态分配
};  

代码要点:

  1. 代码使用了copy-swap策略,即先分配资源再更改自身状态,这样可以保证当资源分配失败的时候,自身能够维持原先状态,《高效C++》有条规则描述这个主题。所以先根据other拷贝构造一个临时对象tmp, 然后与tmp进行swap,m_data交换给了tmp之后,也会随着tmp的晰构而被释放。

  2. 之所以把other声明为const,有两个理由,其一是赋值操作不应该更改other,其二是可以传入一个右值。其实这样的声明随处可见。

假设现有类型为Intvec的对象v,用一个新对象给它赋值:

v = Intvec(33); 

这句代码合法,它构造一个临时对象,为右值,传入到Intvec的赋值运算符重载函数中。这个代码是可以工作,而且通常情况下都比较高效。但是如果Intvec里包含某些m_handle成员,创建和释放m_handle比较昂贵,那么拷贝构造越少越好。这种情况,我们设想一下,如果v能跟Intvec(33)临时对象直接进行内部数据交换,而不需要在重载函数里使用Intvec tmp(other);构造一个新对象出来swap,那该有多好!
如你所料,C++11引入的“右值引用”和“move语义”就可以实现这个目标,新的语法很简单,我们重载一个新的赋值操作运算符函数:

Intvec& operator=(Intvec&& other)
{
    log("move assignment operator");
    std::swap(m_size, other.m_size);
    std::swap(m_data, other.m_data);
    return *this;
}

对于v = Intvec(33);这种写法就会调用此版本的重载函数(即传入一个右值)。
&&语法声明右值引用,表示一个指向右值的引用,通过这个引用,可以修改右值。

以上就是关于右值引用的一个简单的示例,实际上右值引用是一个复杂的主题,在实际应用中还有很多场景要考虑,更深入的讲解见底部参考链接。

参考链接:

  1. 《Understanding lvalues and rvalues in C and C++》

  2. 《C++右值引用详解》