本文轉載自微信公眾號「高性能架構探索」，作者雨樂。轉載本文請聯(lián)系高性能架構探索公眾號。

你好，我是雨樂!

作為C/C++開發(fā)人員，在平時的項目開發(fā)過程中，或多或少的聽過左值和右值的概念，甚至在編譯器報錯的時候，遇到過lvalue和rvalue等字樣;甚至使用過std::move()，但是不知道其含義。作為多年的C++開發(fā)人員，一直以來，對左值右值的理解沒有一個系統(tǒng)的認識，總感覺似懂非懂。今天，借助本文，詳細的介紹下這些知識點，并從代碼實例的角度去分析什么是左值或者右值，同時，也算是給自己知識點做一個總結。

背景

作為C++開發(fā)人員，相信我們都寫過如下代碼：

void fun(int &x) {
//
}

int main() {
  fun(10);
  return 0;
}

在編譯的時候，會提示如下：

error: invalid initialization of non-const reference of type ‘int&’ from an rvalue of type ‘int’

其中上述報錯中的rvalue就是10，也就是說10就是rvalue，那么到底什么是rvalue，rvalue的意義是什么?這就是本文的目的，通過本文，讓你徹底搞清楚什么C++下的值類別，以及如何區(qū)分左值、純右值和將亡值。

本文的主要內容如下圖所示：

歷史

在正式介紹左值和右值之前，我們先介紹下其歷史。

編程語言CPL第一次引入了值類別，不過其定義比較簡單，即對于賦值運算符，在運算符左邊的為左值，在運算符右邊的為右值。

C語言遵循與CPL類似的分類法，但是弱化了賦值的作用，C語言中的表達式被分為左值和其它(函數(shù)和非對象值)，其中左值被定義為標識一個對象的表達式。不過，C語言中的左值與CPL中的左值區(qū)別是，在C語言中l(wèi)value是locator value的簡寫，因此lvalue對應了一塊內存地址。

C++11之前，左值遵循了C語言的分類法，但與C不同的是，其將非左值表達式統(tǒng)稱為右值，函數(shù)為左值，并添加了引用能綁定到左值但唯有const的引用能綁定到右值的規(guī)則。幾種非左值的C表達式在C++中成為了左值表達式。

自C++11開始，對值類別又進行了詳細分類，在原有左值的基礎上增加了純右值和消亡值，并對以上三種類型通過是否具名(identity)和可移動(moveable)，又增加了glvalue和rvalue兩種組合類型，在后面的內容中，會對這幾種類型進行詳細講解。

表達式

C/C++代碼是由標識符、表達式和語句以及一些必要的符號(大括號等)組成。

表達式由按照語言規(guī)則排列的運算符，常量和變量組成。一個表達式可以包含一個或多個操作數(shù)，零個或多個運算符來計算值。每個表達式都會產(chǎn)生一些值，該值將在賦值運算符的幫助下分配給變量。

在C/C++中，表達式有很多種，我們常見的有前后綴表達式、條件運算符表達式等。字面值(literal)和變量(variable)是最簡單的表達式，函數(shù)的返回值也被認為是表達式。

表達式是可求值的，對表達式求值可得到一個結果，這個結果有兩個屬性:

• 類型。這個我們很常見，比如int、string、引用或者我們自定義的類。類型確定了表達式可以進行哪些操作。
• 值類別(在下節(jié)中會細講)。

值類別

在上節(jié)中，我們提到表達式是可求值的，而值類別就是求值結果的屬性之一。

在C++11之前，表達式的值分為左值和右值兩種，其中右值就是我們理解中的字面值1、true、NULL等。

自C++11開始，表達式的值分為左值(lvalue, left value)、將亡值(xvalue, expiring value)、純右值(pvalue, pure ravlue)以及兩種混合類別泛左值(glvalue, generalized lvalue)和右值(rvalue, right value)五種。

這五種類別的分類基于表達式的兩個特征：

• 具名(identity):可以確定表達式是否與另一表達式指代同一實體，例如通過比較它們所標識的對象或函數(shù)的(直接或間接獲得的)地址
• 可被移動：移動構造函數(shù)、移動賦值運算符或實現(xiàn)了移動語義的其他函數(shù)重載能夠綁定于這個表達式

結合上述兩個特征，對五種表達式值類別進行重新定義：

• lvalue:具名且不可被移動
• xvaue:具名且可被移動
• prvalue:不具名且可被移動
• glvalue:具名，lvalue和xvalue都屬于glvalue
• rvalue:可被移動的表達式，prvalue和xvalue都屬于rvalue

用圖表示如下：

從glvalue和rvalue出發(fā)，將具名(indentity)和可移動兩個特征結合起來，如下圖所示：

在上圖中，I代表indentity，M代表moveable。以xvalue為例，在上圖中xvalue為(I&M)，即代表具名且可移動。

對于indentity，有些文章譯為有身份的，有些文章譯為具名的，本文統(tǒng)一稱為具名的。

左值左值(lvalue,left value)，顧名思義就是賦值符號左邊的值。準確來說，左值是表達式結束(不一定是賦值表達式)后依然存在的對象。

可以將左值看作是一個關聯(lián)了名稱的內存位置，允許程序的其他部分來訪問它。在這里，我們將 "名稱" 解釋為任何可用于訪問內存位置的表達式。所以，如果 arr 是一個數(shù)組，那么 arr[1] 和 *(arr+1) 都將被視為相同內存位置的“名稱”。

左值

具有以下特征：

• 可通過取地址運算符獲取其地址
• 可修改的左值可用作內建賦值和內建符合賦值運算符的左操作數(shù)
• 可以用來初始化左值引用(后面有講)

那么哪些都是左值呢?查了相關資料，做了些匯總，基本覆蓋了所有的類型：

• 變量名、函數(shù)名以及數(shù)據(jù)成員名
• 返回左值引用的函數(shù)調用
• 由賦值運算符或復合賦值運算符連接的表達式，如(a=b, a-=b等)
• 解引用表達式*ptr
• 前置自增和自減表達式(++a, ++b)
• 成員訪問(點)運算符的結果
• 由指針訪問成員( -> )運算符的結果
• 下標運算符的結果([])
• 字符串字面值("abc")

為了能夠更加清晰地理解左值，我們舉例：

int a = 1; // a是左值
T& f();
f();//左值
++a;//左值
--a;//左值
int b = a;//a和b都是左值
struct S* ptr = &obj; // ptr為左值
arr[1] = 2; // 左值
int *p = &a; // p為左值
*p = 10; // *p為左值
class MyClass{};
MyClass c; // c為左值
"abc"

對于一個表達式，凡是對其取地址(&)操作可以成功的都是左值

純右值

在前面有提過，自C++11開始，純右值(pvalue, pure ravlue)相當于之前的右值，那么什么是純右值呢?

• 字面值或者函數(shù)返回的非引用都是純右值。
• 以下表達式的值都是純右值：
• 字面值(字符串字面值除外)，例如1，'a', true等
• 返回值為非引用的函數(shù)調用或操作符重載，例如：str.substr(1, 2), str1 + str2, or it++
• 后置自增和自減表達式(a++, a--)
• 算術表達式
• 邏輯表達式
• 比較表達式
• 取地址表達式
• lambda表達式

為了加深對右值的理解，下面的例子是常見的純右值：

nullptr;
true;
1;
int fun();
fun();

int a = 1;
int b = 2;
a + b;

a++;
b--;

a > b;
a && b;

純右值特征：

• 等同于C++11之前的右值
• 不會是多態(tài)
• 不會是抽象類型或數(shù)組
• 不會是不完全類型

將亡值

將亡值(xvalue, expiring value)，顧名思義即將消亡的值，是C++11新增的跟右值引用相關的表達式，通常是將要被移動的對象(移為他用)，比如返回右值引用T&&的函數(shù)返回值、std::move的返回值，或者轉換為T&&的類型轉換函數(shù)的返回值。

將亡值可以理解為通過“盜取”其他變量內存空間的方式獲取到的值。在確保其他變量不再被使用、或即將被銷毀時，通過“盜取”的方式可以避免內存空間的釋放和分配，能夠延長變量值的生命期。(通過右值引用來續(xù)命)。

xvalue 只能通過兩種方式來獲得，這兩種方式都涉及到將一個左值賦給(轉化為)一個右值引用：

• 返回右值引用的函數(shù)的調用表達式,如 static_cast(t); 該表達式得到一個 xvalue
• 轉換為右值引用的轉換函數(shù)的調用表達式，如：std::move(t)、satic_cast(t)

下面通過幾個代碼來詳細分析什么是將亡值：

std::string fun() {
  std::string str;
  // ...
  return str;
}

std::string s = fun();

在函數(shù)fun()中，str是一個局部變量，并在函數(shù)結束時候被返回。

在C++11之前，s = fun();會調用拷貝構造函數(shù)，會將整個str復制一份，然后把str銷毀。如果str特別大的話，會造成大量額外開銷。在這一行中，s是左值，fun()是右值(純右值)，fun()產(chǎn)生的那個返回值作為一個臨時值，一旦str被s復制后，將被銷毀，無法獲取、也不能修改。

自C++11開始，引入了move語義，編譯器會將這部分優(yōu)化成move操作，即不再是之前的復制操作，而是move。此時，str會被進行隱式右值轉換，等價于static_cast(str)，進而此處的 s 會將 foo 局部返回的值進行移動。

無論是C++11之前的拷貝，還是C++11的move，str在填充(拷貝或者move)給s之后，將被銷毀，而被銷毀的這個值，就成為將亡值。

將亡值就定義了這樣一種行為：具名的臨時值、同時又能夠被move。

混合類型

泛左值

泛左值(glvalue, generalized lvalue)，又稱為廣義左值，是具名表達式，對應了一塊內存。glvalue有l(wèi)value和xvalue兩種形式。

一個表達式是具名的，則稱為glvalue，例子如下：

struct S{
  int n;
};

S fun();
S s;
s;
std::move(s);

fun();
S{};
S{}.n;

在上述代碼中：

• 定義了結構體S和函數(shù)fun()
• 第6行聲明了類型為S的變量s，因為其是具名的，所以是glvalue
• 第七行同上，因為s具名，所以為glvalue
• 第8行中調用了move函數(shù) ，將左值s轉換成xvalue，所以是glvaue
• 第10行中，fun()是不具名的，是純右值，所以不是glvalue
• 第11行中，生成一個不具名的臨時變量，是純右值，所以不是glvalue
• 第12行中，n具名，所以是glvalue

glvalue的特征如下：

• 可以自動轉換成prvalue
• 可以是多態(tài)的
• 可以是不完整類型，如前置聲明但未定義的類類型

右值

右值(rvalue, right value)是指可以移動的表達式。prvalue和xvalue都是rvalue，具體的示例見下文。

rvalue具有以下特征：

• 無法對rvalue進行取地址操作。例如：&1，&(a + b)，這些表達式?jīng)]有意義，也編譯不過。
• rvalue不能放在賦值或者組合賦值符號的左邊，例如：3 = 5，3 += 5，這些表達式?jīng)]有意義，也編譯不過。
• rvalue可以用來初始化const左值引用(見下文)。例如：const int& a = 1。
• rvalue可以用來初始化右值引用(見下文)。
• rvalue可以影響函數(shù)重載：當被用作函數(shù)實參且該函數(shù)有兩種重載可用，其中之一接受右值引用的形參而另一個接受 const 的左值引用的形參時，右值將被綁定到右值引用的重載之上。

深入

經(jīng)過前面的內容，我們對左值和右值(純右值和將亡值)有了一個初步的認識，在本節(jié)，我們借助一些例子，來加深對左值和右值的理解。

前置自增(減)是左值，后置自增(減)是純右值

代碼如下：

int i = 0;
++i;
--i;
i++;
i--;

在上面代碼中，我們定義了一個int類型的變量i，并初始化為0。

• ++i的操作是對i加1后再賦值給i，所以++i的結果是具名的，名稱就是i，所以++i是左值
• 對于i++而言，先將i的值進行拷貝(此處假設拷貝到臨時變量ii)，然后再對i加1，最后返回ii(其實不存在的，為了在此表述方便)。所以i++是不具名的，因此不是glvaue，所以i++是右值，又因為不具名，且是右值，所以i++是純右值
• 同理，--i是左值，i--是純右值

算術表達式是純右值

代碼如下：

int x = 0;
int y = 0;
x + y;
x && y;
x == y;

在上述代碼中，x + y得到的是一個不具名的臨時對象，所以x+y是純右值;而x && y和x == y得到的是一個bool常量值，要么是true要么是false，所以是純右值。

解引用是左值，取地址是純右值

代碼如下：

int x = 0;
int *y = &x;
*y = 1;
&y;

*y得到的是y指向地址的實際值，所以&(*y)是合法的，因此*y是左值;對&y操作得到的是一個地址，即一個long值，所以是一個字面值，因此&y是純右值。

字符串字面值是左值

字符串字面值為左值，這個比較特殊。在前面提到過字面值都是純右值(字符串字面值除外)，一個很重要的原因，就是可以字符串字面值可以獲取地址，

下面代碼在編譯器中可正常編譯且運行：

std::cout << &"abc" << std::endl;

這是因為C++將字符串字面值實現(xiàn)為char型數(shù)組，實實在在地為每個字符都分配了空間并且允許程序員對其進行操作。如果從存儲區(qū)的概念來理解，那就是字符串字面值存儲在常量區(qū)。

引用

既然提到了左值右值，就得提一下引用。

在C++11之前，引用分為左值引用和常量左值引用兩種，但是自C++11起，引入了右值引用，也就是說，在C++11中，包含如下3中引用：

• 左值引用
• 常量左值引用(不希望被修改)
• 右值引用

左值引用和常量左值引用，我們很常見，如下代碼：

std::string str = "abc";
std::string &s = str;

const int &a = 10;

int &b = 10; // 錯

在上述代碼中，s是一個左值引用，而a是一個const 左值引用。那么，為什么最后一句int &b = 10;編譯器會報錯呢?這是因為10是常量，而常量是右值，一個右值怎么能夠被左值引用去引用呢。

那么什么是右值引用呢?右值引用就是引用右值的引用，這不廢話嘛??。

在C++11中引入了右值引用，因為右值的生命周期很短，右值引用的引入，使得可以延長右值的生命周期。在C++中規(guī)定，右值引用是&&即由2個&表示，而左值引用是一個&表示。右值引用的作用是為了綁定右值。

為了能區(qū)分左值引用和右值引用，代碼如下：

int a = 1;
int &rb = a; // b為左值引用
int &&rrb = a; // 錯誤，a是左值，右值引用不能綁定左值
int &&rrb1 = 1; // 正確，1為右值
int &rb1 = i * 2; // 錯誤，i * 2是右值，而rb1位左值引用
int &&rrb2 = i * 2; // 正確
const int &c = 1; // 正確
const int &c1 = i * 2; // 正確

在這里，我們需要特別注意的一點就是右值引用雖然是引用右值，但是其本身是左值，以下代碼為例：

int &&a = 1;

在上述代碼中，a是一個右值引用，但是其本身是左值，合適因為：

• a出現(xiàn)在等號(=)的左邊
• 可以對a取地址

我們在前面有提到過，一個表達式有兩個屬性，分別為類型和值類別。本節(jié)說的左值引用和右值引用就屬于類型,而左值和右值則屬于值類別范疇，這個概念很重要，千萬不能混淆。

可能有人會問，除了自己根據(jù)規(guī)則區(qū)分左值引用和右值引用，有沒有更快更準確的方式來判斷呢?其實，系統(tǒng)提供了API，如下：

std::is_lvalue_reference
is_rvalue_reference
  
int a = 1;
int &ra = a;
int &&b = 1;

std::cout << std::is_lvalue_reference<decltype(ra)>::value << std::endl;

std::cout << std::is_rvalue_reference<decltype(ra)>::value << std::endl;

std::cout << std::is_rvalue_reference<decltype(b)>::value << std::endl;

輸出結果：

1
0
1

結語

這篇文章是在整理了大量資料，結合自己的理解之后完成的。左值右值這種本身就比較抽象，在寫文的過程中，發(fā)現(xiàn)有些東西，很難用文字來描述。在寫這篇文章的過程中，也糾正了自己長久以來對左值右值的疑惑，因為這塊確實比較復雜，所以文章中難免有出錯或者不周全的地方，希望您批評指正。

好了，今天的文章就到這里，我們下期見!

參考

https://en.cppreference.com/w/cpp/language/value_category

https://www.internalpointers.com/post/understanding-meaning-lvalues-and-rvalues-c

https://www.fatalerrors.org/a/left-value-reference-and-right-value-reference-of-c-c-class-and-object.html

https://www.bogotobogo.com/cplusplus/C11/4_C11_Rvalue_Lvalue.php

https://users.soe.ucsc.edu/~pohl/code/lvalue.htm