话说C++中的左值、纯右值、将亡值

写在前面

      C++中有“左值”、“右值”的概念，C++11之后，又有了“左值”、“纯右值”、“将亡值”的概念。关于这些概念，许多资料上都有介绍，本文在拾人牙慧的基础上又加入了一些本身的一些理解，同时提出了一些须要读者特别注意的地方，主要目的有二：
      1.尽量地将这些概念介绍清楚。
      2.为后续介绍完美转发和移动语义作好铺垫。

正文

1、表达式

       要说清“三值”，首先要说清表达式。

       定义
            由运算符(operator)和运算对象(operand)^①构成的计算式（相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。

2、值类别

       表达式是可求值的，对表达式求值将获得一个结果(result)。这个结果有两个属性：类型和值类别（value categories）。下面咱们将详细讨论表达式的值类别^②。

       在c++11之后，表达式按值类别分，必然属于如下三者之一：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

 

 

      有一点须要说明，严格来说，“左值”是表达式的结果的一种属性，但更为广泛地，咱们一般用“左值”来指代左值表达式（正如上边一段中作的那样）。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。一般咱们无需区分“左值”指的是前者仍是后者，由于它们表达的是同一个意思，不会引发歧义。在后文中，咱们依然用左值指代左值表达式。对于纯右值和将亡值，亦然。

3、详细说明

      事实上，不管是左值、将亡值仍是纯右值，咱们目前都没有一个精准的定义。它们事实上表征了表达式的属性，而这种属性的区别主要体如今使用上，如可否作运算符的左操做数、可否使用移动语义（关于移动语义，在下的后续文章中会详细介绍）等。所以，从实际应用出发，咱们首先须要作到的是：给定一个表达式，可以正确地判断出它的值类别。为了使读者可以作到这一点，在下采起了一个实际的方式：先对各个值类别的特征加以描述，而后指出常见的表达式里边，哪些属于该类别。

左值

描述
     可以用&取地址的表达式是左值表达式。
举例
     函数名和变量名（其实是函数指针^③和具名变量，具名变量如std::cin、std::endl等）、返回左值引用的函数调用、前置自增/自减运算符链接的表达式++i/--i、由赋值运算符或复合赋值运算符链接的表达式(a=b、a+=b、a%=b）、解引用表达式*p、字符串字面值"abc"（关于这一点，后面会详细说明）等。

纯右值

描述
     知足下列条件之一：
     1）自己就是赤裸裸的、纯粹的字面值，如三、false；
     2）求值结果至关于字面值或是一个不具名的临时对象。
举例
      除字符串字面值之外的字面值、返回非引用类型的函数调用、后置自增/自减运算符链接的表达式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）等。

      下面从上面的例子中选取若干典型详细说明左值和纯右值的判断。

      1）++i是左值，i++是右值。
      前者，对i加1后再赋给i，最终的返回值就是i，因此，++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，将获得的副本做为返回结果，而后再对i加1，因为i++的结果是对i加1前i的一份拷贝，因此它是不具名的。假设自增前i的值是6，那么，++i获得的结果是7，这个7有个名字，就是i；而i++获得的结果是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一样。

      2）解引用表达式*p是左值，取地址表达式&a是纯右值。
      &(*p)必定是正确的，由于*p获得的是p指向的实体，&(*p)获得的就是这一实体的地址，正是p的值。因为&(*p)的正确，因此*p是左值。而对&a而言，获得的是a的地址，至关于unsigned int型的字面值，因此是纯右值。

      3）a+b、a&&b、a==b都是纯右值
      a+b获得的是不具名的临时对象，而a&&b和a==b的结果非true即false，至关于字面值。

将亡值

描述
     在C++11以前的右值和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^④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发的，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式
      读者会问：这与“将亡”有什么关系？
      在C++11中，咱们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（所谓资源，就是指new出来的东西），而当咱们用一个右值（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^⑤来移动资源，从而避免拷贝，提升效率（关于这些知识，在后续文章讲移动语义时，会详细介绍）。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，同时该右值也将会立刻被销毁（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。而上面1）和2）两种表达式的结果都是不具名的右值引用，它们属于右值（关于“不具名的右值引用是右值”这一点，后面还会详细解释）。又由于
       1）这种右值是与C++11新生事物——“右值引用”相关的“新右值”
       2）这种右值经常使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
       因此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，这两个函数经常使用来将左值强制转换成右值，从而使拷贝变成移动，提升效率，关于这些，后续文章中会详细介绍。）
附注
      事实上，将亡值不过是C++11提出的一块晦涩的语法糖。它与纯右值在功能上及其类似，如都不能作操做符的左操做数，均可以使用移动构造函数和移动赋值运算符。当一个纯右值来完成移动构造或移动赋值任务^⑥时，其实它也具备“将亡”的特色。通常咱们没必要刻意区分一个右值究竟是纯右值仍是将亡值。  

      关于“三值”的大致介绍，就到此结束了。想要获知更加详细的内容，读者能够参考cppreference上的文章：
      http://naipc.uchicago.edu/2015/ref/cppreference/en/cpp/language/value_category.html （精简版）  
      和
      http://en.cppreference.com/w/cpp/language/value_category  （详细版）
      文章对“三值”进行了详细地讲述，同时讲出了将左值和将亡值合称泛左值的缘由（这是本文未详细讨论的），如二者均可以使用多态，均可以隐式转换成纯右值，均可以是不彻底类型（incomplete type）等。之因此不展开叙述，是由于在下实在举不出合适的代码来加以佐证。这里在下恳请各位读者不吝赐教。另外，关于文章（特别是详细版）中的一些观点，在下不敢苟同，篇幅缘由，在下就不一一叙述了。

4、特别注意

       最后，关于“三值”，有些地方须要你们特别注意。

      1）字符串字面值是左值。

      不是全部的字面值都是纯右值，字符串字面值是惟一例外。
      早期C++将字符串字面值实现为char型数组，实实在在地为每一个字符都分配了空间而且容许程序员对其进行操做，因此相似

cout<<&("abc")<<endl;
char *p_char="abc";//注意不是char *p_char=&("abc");

这样的代码都是能够编译经过的。
       注意上面代码中的注释，"abc"能够直接初始化指针p_char，p_char的值为字符串"abc"的首字符a的地址。而&("abc")被编译器编译为const的指向数组的指针const char (*) [4]（之因此是4，是由于编译器会在"abc"后自动加上一个'\0'），它不能初始化char *类型，即便是const char *也不行。另外，对于char *p_char="abc";，在GCC编译器上,GCC4.9(C++14)及之前的版本会给出警告，在GCC5.3(C++14)及之后的版本则直接报错：ISO C++ forbids converting a string constant to 'char*'（ISO C++禁止string常量向char*转换）。但这并不影响“字符串字面值是左值”这一结论的正确性，由于cout<<&("abc")<<endl;一句在各个版本的编译器上都能编译经过，没有警告和错误。

       2)具名的右值引用是左值，不具名的右值引用是右值。

      见下例（例一）

void foo(X&& x)
{
    X anotherX = x;
   //后面还能够访问x
 }

     上面X是自定义类，而且，其有一个指针成员p指向了在堆中分配的内存；参数x是X的右值引用。若是将x视为右值，那么，X anotherX=x;一句将调用X类的移动构造函数，而咱们知道，这个移动构造函数的主要工做就是将x的p指针的值赋给anotherX的p指针，而后将x的p指针置为nullptr。（后续文章讲移动构造函数时会详细说明）。而在后面，咱们还能够访问x，也就是能够访问x.p，而此时x.p已经变成了nullptr，这就可能发生意想不到的错误。  

 

      又以下例（例二）

X& foo(X&& x)
{
     //对x进行一些操做
     return x;
}

//调用
foo(get_a_X());//get_a_X()是返回类X的右值引用的函数

     上例中，foo的调用以右值（确切说是将亡值）get_a_X()为实参，调用类X的移动构造函数构造出形参x，而后在函数体内对x进行一些操做，最后return X，这样的代码很常见，也很符合咱们的编写思路。注意foo函数的返回类型定义为X的引用，若是x为右值，那么，一个右值是不能绑定到左值引用上去的。 
      为避免这种状况的出现，C++规定：具名的右值引用是左值。这样一来，例一中X anotherX = x;一句将调用X的拷贝构造函数，执行后x不发生变化，继续访问x不会出问题；例二中，return x也将获得容许。
      例二中，get_a_X返回一个不具名右值引用，这个不具名右值引用的惟一做用就是初始化形参x，在后面的代码中，咱们不会也没法访问这个不具名的右值引用。C++将其归为右值，是合理的，一方面，可使用移动构造函数，提升效率；另外一方面，这样作不会出问题。

      至此，关于“三值”的内容就所有介绍完了。

注释：

      ①只有当存在两个或两个以上的运算对象时才须要运算符链接，单独的运算对象也能够是表达式，例如上面提到的字面值和变量。
      ②确切说，是表达式的结果的值类别，但咱们通常不刻意区分表达式和表达式的求值结果，因此这里称“表达式的值类别”。
      ③当咱们将函数名做为一个值来使用时，该函数名自动转换为指向对应函数的指针。
      ④关于右值引用自己，没什么可说的，就是指能够绑定到右值上的引用，用"&&"表示，如int &&rra=6;。相比之下，与右值引用相关的一些主题，如移动语义、引用叠加、完美转发等，更值得咱们深刻探讨。这些内容，在下在后续文章中都会详细介绍。
      ⑤前提是该右值（如自定义的类X）有移动构造函数或移动赋值运算符可供调用（有时候是没有的，关于这些知识，后续文章在讲移动构造函数和移动赋值运算符时会详述）。
      ⑥在本文的例二中，若是将get_a_X()的返回值由X的右值引用改成X对象，则get_a_X()是纯右值表达式（如前所述，返回非引用类型的函数调用是纯右值），此时Foo(get_a_X());一句调用的仍然是类X的移动构造函数，这就是一个纯右值完成移动构造的例子。

写在后面

       在下在参阅许多资料以后，再结合本身的理解，整理出了这篇文章，力图能实如今下写博客（不光是这篇，是全部）的初衷——为初学者服务，尽可能把话说明白。可是，因为“三值”问题自己较为复杂，再加上在下才疏学浅，表达能力有限，错误疏漏及其它不足之处在所不免。因此，但愿广大读者可以用批判的眼光来阅读这篇文章，更恳请你们对在下的错误疏漏提出批评指正。您的批评指正，既是对在下莫大的帮助，更是在下进步的力量源泉。