理解C++值类别(lvalue, rvalue, prvalue, xvalue)

C++ 值类别 (value categories)概述

在 C++中值类别并不是语言特性, 他们更多的是表达式的语法属性. 理解它们有助于理解:

• 内置类型和用户定义的操作符
• 引用类型
• 移动语义

值类别也是不断演进的:

• 在早期的 C 语言中, 只有两种值类别: 左值(lvalue)和右值(rvalue). 与之相关的概念也很简单.
• 早期的 C++扩增了类(class), const修饰符, 和引用类型. 这使得值类别更加丰富.
• 现代 C++ 引入了右值引用(rvalue references). 为此不得不引入更多的值类别来描述相关的行为.

左值和右值的定义

在 C Programming Language 这本书中, Kernighan 和 Ritchie 给出的定义是: 出现在赋值表达式=号左边的操作数(operand)是左值.

E1 = E2;

1. 一个左值(lvalue)是指向一个对象(Object)的表达式. 一个对象则指一块存储区域.

   int n; // 定义了一个名为`n`的int类型对象
   n = 1; // 一个赋值表达式
   

   上面代码中:

   • n 表示一个 int 对象, 它是左值.
   • 1 表示一个整型常量, 它是右值.

2. 右值(rvalue)被定义为: 不是左值的表达式.

   下面的语句尝试修改一个整型常量 1. 当然, C++会拒绝它.

   1 = n; // 明显不合法
   

   因为一个赋值语句会给一个对象赋值, 赋值语句的左边操作数必须是左值, 但是 1 不是左值, 它是右值.

为什么要区分左值和右值

• 这样的话编译器可以假设右值(rvalue)不会占用存储空间.
• 这给编译器机器码生成提供了更多的自由.

右值的存储

我们再次看这个例子:

int n;
n = 1;

1. 一个编译器或许会把字面量1存放在数据区, 把1看做是一个左值. 这样的情况下它会生成下面的汇编代码:

   one:      ; 一个标签, 指代下面对象的地址
     .word 1 ; 为整数1分配一个存储位置
   

   那么编译器将会从one复制到n

   move n, one ; 复制`one`地址的值到`n`变量地址
   

2. 实际上, 现代 CPU 上, 有源操作数是立即数(immediate operand)的指令. 源操作数是立即数意味着数值是指令的一部分.

   在汇编语言中, 会这样写:

   mov n, #1 ; 将数值 #1 拷贝到地址`n`
   

   这种情况下: 右值 1 将会作为指令的一部分在代码区.

   以 x86-64 为例, 我们假定n已经被加载到寄存器RAX中, 那么n=1就可以被写为: MOV RAX, 1, 翻译为机器码就是:

   B8 01 00 00 00
   

   其中:

   • B8是操作码, 表示向 RAX 寄存器赋值一个 32 位的立即数.
   • 01 00 00 00 是立即数 1 的小端序表示(最低有效字节位于最低地址).

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字面量

很多的字面量是右值, 他们不一定占用数据存储. 包括:

• 数字字面量, 如 3, 3.14
• 字符字面量, 如 ‘a’, ‘b’

然而, 字符串字面量是左值. 它们占用存储空间. 比如"Hello"这种字符串字面量.

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左值和右值的区别

1. 一个左值可以出现在赋值表达式的任意一边, 比如:

   int m, n;
   m = n; // OK, m和n均是左值
   

   这个表达式将左值(n)当做右值来使用. 从 C++术语讲, 这进行了一次左值到右值的转换.

2. 表达式的操作数可以是左值或右值.

   比如, '+'操作符必须是两个表达式.

   int x;
   
   x + 2; // OK, lvalue + rvalue
   2 + x; // OK, rvalue + lvalue
   

3. 运算结果是右值: 对于内置的二元操作符(不包含赋值=操作符), 比如’+', 它的操作数可能是左值或右值, 它的结果是一个右值.

   • 表达式m+n的结果将放在一个编译器生成的临时变量中, 通常是一个 CPU 寄存器. 这样的临时变量通常被称为右值(rvalue).
   • 表达式m + 1 = n 是错误的, 因为m+1的结果是一个右值, 不能出现在赋值表达式的左边.

4. 解引用操作符*是左值: 解引用操作符*的结果是一个左值. 一个指针p可以指向一个对象, 所以*p是一个左值.

   int arr