对于C++左值和右值的简单总结

2022-09-11 | 阅读：次

0. 引言

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：

int foo() {return 2;}
int main()
{
    foo() = 2;// foo()是一个左值，2是一个右值

    return 0;
}

// 运行后，编译器输出结果：
test.c: In function 'main':
test.c:8:5: error: lvalue required as left operand of assignment
// 赋值语句的左边应当是一个左值

另一个例子是当你用 g++ 编译以下代码：

int& foo()
{
    return 2;// 函数返回的是一个引用
}

// 运行后，编译器输出结果：
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'

该例子提到了术语右值 (rvalue)。

1. 左值和右值的简单定义

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。

1.1 例子

int var;
var = 4;// var 显然是个左值，因为它是一个int型变量，在内存中有内存地址，而4是一个右值

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：

4 = var;       // 错误！
(var + 1) = 4; // 错误！var +1 是一个临时结果，没有可识别的内存地址

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++ 的引用让我们以这样写：

int globalvar = 20;

int& foo()
{
    return globalvar;
}

int main()
{
    foo() = 10;// foo() 返回的是一个引用
    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：

s`td::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。

1.2 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：

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

1.3 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：

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：

int arr[] = {1, 2};
int* p = &arr[0];
*(p + 1) = 10;   // 正确: p + 1 是右值，但 *(p + 1) 是左值

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：

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。