C++左值和右值

背景知识

在C++中，左值（lvalue）和右值（rvalue）是表达式的核心值类别（value categories），决定了对象的生命周期、操作权限和资源管理方式。理解左右值之间的区别是掌握移动语义（Move Semantics）、完美转发（Perfect Forwarding）的关键。

注意点：
值类别（value categories）和值类型（value type）是两个不同的概念
1.值类别：指表达式在C++中的分类，例如左值、右值等。
2.值类型：值类型通常与引用类型（int&）相对，强调对象本身的存储和拷贝语义。在C++中，所有原生的类型、枚举、结构、联合体、类都代表值类型，只有引用（&）和指针（*）才是引用类型

左值和右值的传统定义

1.左值

• 定义：表达式结束后仍然存在的对象，具有明确的存储位置（可寻址）。
• 特点：
  • 可被复制：可以出现在赋值运算符=的左侧。
  • 可被多次使用：生命周期独立于当前表达式。
  • 可被取地址：可通过&操作符获取地址。
• 常见的情况有：
  • 变量、函数或数据成员的名字。
  • 返回左值引用的表达式，++x、x = 1、cout<< ' '。
  • 字符串字面量，如"Hello world"。
    2.右值
• 定义：表达式结束后不再存在的临时值，没有持久存储位置。
• 特点：
  • 不可寻址：不能使用&获取地址。
  • 只能出现再赋值右侧：通常是字面量（除字符串字面量外）、计算结果或者临时对象。
• 常见的情况有：
  • 返回非引用类型的表达式，如x++、x+ 1 、make_shared<int>(42)
  • 除字符串字面量之外的字面量，如42、true。

注意点:
字符串字面量存储在程序的静态存储区（通常是只读内存端），可被取地址，所以是左值，不是右值。

C++11的扩展：右值引用和新的值类别

C++11引入了右值引用（rvalue reference）和更细粒度的值类别，将右值细分为纯右值（prvalue）和将亡值（xvalue）:
1.新的值类别

类别	描述	示例
lvalue	左值：具名对象，有持久状态（可多次使用）	变量、函数返回的左值引用
prvalue	纯右值：临时对象、字面量、非引用返回的函数结果	42,a + b, std::string("hi")
xvalue	将亡值：生命周期即将结束的对象（可安全转移资源），但是仍然不能取地址	std::move(x)，右值引用的返回值

值类别示意图

右值引用与移动语义

1.右值引用语法

• 通过&&生命，只能绑定到右值：

int&& rref = 42;     //合法：绑定到字面量
int&& rref2 = rref;  //非法：rref是左值（具名右值引用,rref是变量的名字，变量是有标识符、有地址，所以它还是一个左值）

2.移动语义

• 核心思想：通过转移资源所有权（而非复制）提升性能。
• 移动构造函数：

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
using namespace std;

class String {
public:
    String(const char* str = "") {
        size_ = strlen(str);
        data_ = new char[size_ + 1];
        strcpy(data_, str);
    }

    // 移动构造函数
    String(String&& other) noexcept 
        : data_(other.data_), size_(other.size_) {
        other.data_ = nullptr;
        other.size_ = 0;
    }

    // 析构函数
    ~String() {
        delete[] data_;
    }

private:
    char* data_;
    size_t size_;
};

int main() {
    String s1{"Hello"};         // 构造函数
    String s2 = std::move(s1);  // 调用移动构造函数
    return 0;
}

• 性能优势：避免深拷贝。
  3.std::move的作用
• 将左值强制转换成为右值引用，标记对象可被移动：

std::vector<int> v1 = {1, 2, 3};
std::vector<int> v2 = std::move(v1); // v1 变为空

左值与右值的实际应用场景

1.函数参数传递

• 左值引用（const T&）：接受左值，避免拷贝

void process(const std::string& s);
std::string str = "hello";
process(str); //传递左值

• 右值引用（T&&）：接受右值，支持移动语义

void process(std::string&& s);   //只接受右值
process("Hello);                 //传递右值
std::string str = "hello";       
process(std::move(str));         //传递将亡值

2.完美转发（perfect forwarding）

• 目标：保持参数的原始值类别（左值/右值）。
• 实现：结合std::forward和通用引用（T&&）：

template <typename T>
void wrapper(T&& arg) {
    target(std::forward<T>(arg)); // 保留值类别
}

2.1 示例场景
假设我们有一个Widget类，它需要通过不同的构造函数来处理左值和右值参数。我们编写一个makeWidget，将参数完美转发给Widget的构造函数。
代码实现

#include <iostream>
#include <utility>

class Widget {
public:
  //拷贝构造函数（接受左值）
  Widget(const std::string& name) : name_(name) {
    std::cout << "Copied: " << name_ << std::endl;
  }

  //移动构造函数（接受右值）
  Widget(std::string&& name) : name_(std::move(name)) {
    std::cout << "Moved: " << name_ << std::endl;
  }

private:
  std::string name_;
};

template<typename T>
Widget makeWidget(T&& s) {
  return Widget(std::forward<T>(s));
}

int main() {
  std::string str = "Hello";

  //1.传递左值：调用拷贝构造函数
  Widget w1 = makeWidget(str);

  //2.传递右值：调用移动构造函数
  Widget w2 = makeWidget("World");

  //3.传递将亡值（xvalue）：调用移动构造函数
  Widget w3 = makeWidget(std::move(str));

  return 0;
}

关键点解析
1.模式模板makeWidget

• 通用引用（universal reference）:
  模板参数T&&是通用引用，可以绑定左值或右值。

template<typename T>
Widget makeWidget(T&& s) { ... }

• std::forward的作用：
  保留参数的原始值类别。如果s是左值，转发为左值；如果是右值，转发为右值引用。

return Widget(std::forward<T>(s));

2.参数传递行为

• makeWidget(str):
  str是左值->makeWidget的s推导为std::string&->std::forward转发左值->调用Widget(const std::string&)，所以输出结果为Copied: Hello
• makeWidget("World"):
  World是右值->makeWidget的s推导为const char[6]，但在函数模板推导中会退化为指针const char*->Widget的构造函数接受的是std::string类型参数，所以发生隐式转换，构造出std::string("World")临时对象（右值）->std::forward转发左值->调用Widget(std::string&&)，所以输出Move: World。
• makeWidget(std::move(str)):
  std::move(str)是右值->s推导为std::string&&->std::forward转发右值->调用Widget(std::string&&)，所以输出Moved: Hello
  3.编译验证

ydqun@ydqhost 03 % g++ 2.cpp                                                                                                                                                                  [0]
ydqun@ydqhost 03 % ./a.out                                                                                                                                                                    [0]
Copied: Hello
Moved: World
Moved: Hello