左值、右值与右值引用

在C语言中，我们常常会提起左值（lvalue）、右值（rvalue）这样的称呼。而在编译程序时，编译器有时也会在报出的错误信息中会包含 左值、右值的说法。不过左值、右值通常不是通过一个严谨的定义而为人所知的，大多数时候左右值的定义与其判别方法是一体的。一个最为典型的判别方法就是， 在赋值表达式中，出现在等号左边的就是“左值”，而在等号右边的，则称为“右值”。比如：

a = b + c;

在这个赋值表达式中，a就是一个左值，而b + c则是一个右值。这种识别左值、右值的方法在C++中依然有效。不过C++中还有一个被广泛认同的说法，那就是可以取地址的、有名字的就是左值，反之，不 能取地址的、没有名字的就是右值。那么这个加法赋值表达式中，&a是允许的操作，但&(b + c)这样的操作则不会通过编译。因此a是一个左值，(b + c)是一个右值。

这些判别方法通常都非常有效。更为细致地，在C++11中，右值是由两个概念构成的，一个是将亡值（xvalue，eXpiring Value），另一个则是纯右值（prvalue，Pure Rvalue）。

其中纯右值就是C++98标准中右值的概念，讲的是用于辨识临时变量和一些不跟对象关联的值。比如非引用返回的函数返回的临时变量值（我们在前面多 次提到了）就是一个纯右值。一些运算表达式，比如1 + 3产生的临时变量值，也是纯右值。而不跟对象关联的字面量值，比如：2、‘c’、true，也是纯右值。此外，类型转换函数的返回值、lambda表达式 （见7.3节）等，也都是右值。

而将亡值则是C++11新增的跟右值引用相关的表达式，这样表达式通常是将要被移动的对象（移为他用），比如返回右值引用T&&的 函数返回值、std::move的返回值（稍后解释），或者转换为T&&的类型转换函数的返回值（稍后解释）。而剩余的，可以标识函数、 对象的值都属于左值。在C++11的程序中，所有的值必属于左值、将亡值、纯右值三者之一。

注意　事实上，之所以我们只知道一些关于左值、右值的判断而很少听到其真正的定义的一个原因就是—很难归纳。而且即使归纳了，也需要大量的解释。

在C++11中，右值引用就是对一个右值进行引用的类型。事实上，由于右值通常不具有名字，我们也只能通过引用的方式找到它的存在。通常情况下，我们只能是从右值表达式获得其引用。比如：
T && a = ReturnRvalue();

这个表达式中，假设ReturnRvalue返回一个右值，我们就声明了一个名为a的右值引用，其值等于ReturnRvalue函数返回的临时变量的值。

为了区别于C++98中的引用类型，我们称C++98中的引用为“左值引用”（lvalue reference）。右值引用和左值引用都是属于引用类型。无论是声明一个左值引用还是右值引用，都必须立即进行初始化。而其原因可以理解为是引用类型 本身自己并不拥有所绑定对象的内存，只是该对象的一个别名。左值引用是具名变量值的别名，而右值引用则是不具名（匿名）变量的别名。

在上面的例子中，ReturnRvalue函数返回的右值在表达式语句结束后，其生命也就终结了（通常我们也称其具有表达式生命期），而通过右值引 用的声明，该右值又“重获新生”，其生命期将与右值引用类型变量a的生命期一样。只要a还“活着”，该右值临时量将会一直“存活”下去。

所以相比于以下语句的声明方式：
T b = ReturnRvalue();

我们刚才的右值引用变量声明，就会少一次对象的析构及一次对象的构造。因为a是右值引用，直接绑定了ReturnRvalue()返回的临时量，而b只是由临时值构造而成的，而临时量在表达式结束后会析构因应就会多一次析构和构造的开销。

不过值得指出的是，能够声明右值引用a的前提是ReturnRvalue返回的是一个右值。通常情况下，右值引用是不能够绑定到任何的左值的。比如下面的表达式就是无法通过编译的。
int c;
int && d = c;

相对地，在C++98标准中就已经出现的左值引用是否可以绑定到右值（由右值进行初始化）呢？比如：
T & e = ReturnRvalue();
const T & f = ReturnRvalue();

这样的语句是否能够通过编译呢？这里的答案是：e的初始化会导致编译时错误，而f则不会。

出现这样的状况的原因是，在常量左值引用在C++98标准中开始就是个“万能”的引用类型。它可以接受非常量左值、常量左值、右值对其进行初始化。 而且在使用右值对其初始化的时候，常量左值引用还可以像右值引用一样将右值的生命期延长。不过相比于右值引用所引用的右值，常量左值所引用的右值在它的 “余生”中只能是只读的。相对地，非常量左值只能接受非常量左值对其进行初始化。

既然常量左值引用在C++98中就已经出现，读者可能会努力地搜索记忆，想找出在C++中使用常量左值绑定右值的情况。不过可能一切并不如愿。这是 因为，在C++11之前，左值、右值对于程序员来说，一直呈透明状态。不知道什么是左值、右值，并不影响写出正确的C++代码。引用的是左值和右值通常也 并不重要。不过事实上，在C++98通过左值引用来绑定一个右值的情况并不少见，比如：
const bool & judgement = true;

就是一个使用常量左值引用来绑定右值的例子。不过与如下声明相比较看起来似乎差别不大。
const bool judgement = true;

可能很多程序员都没有注意到其中的差别（从语法上讲，前者直接使用了右值并为其“续命”，而后者的右值在表达式结束后就销毁了）。

事实上，即使在C++98中，我们也常可以使用常量左值引用来减少临时对象的开销，如代码清单3-20所示。

代码清单3-20
#include <iostream>
using namespace std;

struct Copyable {
    Copyable() {}
    Copyable(const Copyable &o) {
        cout << "Copied" << endl;
    }
};

Copyable ReturnRvalue() { return Copyable(); }
void AcceptVal(Copyable) {}
void AcceptRef(const Copyable & ) {}

int main() {
    cout << "Pass by value: " << endl;
    AcceptVal(ReturnRvalue()); // 临时值被拷贝传入
    cout << "Pass by reference: " << endl;
    AcceptRef(ReturnRvalue()); // 临时值被作为引用传递
}
// 编译选项:g++ 3-3-5.cpp -fno-elide-constructors

在代码清单3-20中，我们声明了结构体Copyable，该结构体的唯一的作用就是在被拷贝构造的时候打印一句话：Copied。而两个函 数，AcceptVal使用了值传递参数，而AcceptRef使用了引用传递。在以ReturnRvalue返回的右值为参数的时 候，AcceptRef就可以直接使用产生的临时值（并延长其生命期），而AcceptVal则不能直接使用临时对象。

编译运行代码清单3-20，可以得到以下结果：
Pass by value:
Copied
Copied
Pass by reference:
Copied

可以看到，由于使用了左值引用，临时对象被直接作为函数的参数，而不需要从中拷贝一次。读者可以自行分析一下输出结果，这里就不赘述了。而在C++11中，同样地，如果在代码清单3-20中以右值引用为参数声明如下函数：
void AcceptRvalueRef(Copyable && ) {}

也同样可以减少临时变量拷贝的开销。进一步地，还可以在AcceptRvalueRef中修改该临时值（这个时候临时值由于被右值引用参数所引用，已经获得了函数时间的生命期）。不过修改一个临时值的意义通常不大，除非像3.3.2节一样使用移动语义。
就本例而言，如果我们这样实现函数：
void AcceptRvalueRef(Copyable && s) {
   Copyable news = std::move(s);
}

这里std::move的作用是强制一个左值成为右值（看起来很奇怪？这个我们会在下面一节中解释）。该函数就是使用右值来初始化Copyable 变量news。当然，如同我们在上小节提到的，使用移动语义的前提是Copyable还需要添加一个以右值引用为参数的移动构造函数，比如：
Copyable(Copyable &&o) { /* 实现移动语义 */ }

这样一来，如果Copyable类的临时对象（即ReturnRvalue返回的临时值）中包含一些大块内存的指针，news就可以如同代码清单 3-19一样将临时值中的内存“窃”为己用，从而从这个以右值引用参数的AcceptRvalueRef函数中获得最大的收益。事实上，右值引用的来由从 来就跟移动语义紧紧相关。这是右值存在的一个最大的价值（另外一个价值是用于转发，我们会在后面的小节中看到）。

对于本例而言，很有趣的是，读者也可以思考一下：如果我们不声明移动构造函数，而只声明一个常量左值的构造函数会发生什么？如同我们刚才提到的，常 量左值引用是个“万能”的引用类型，无论左值还是右值，常量还是非常量，一概能够绑定。那么如果Copyable没有移动构造函数，下列语句：
Copyable news = std::move(s);

将调用以常量左值引用为参数的拷贝构造函数。这是一种非常安全的设计—移动不成，至少还可以执行拷贝。因此，通常情况下，程序员会为声明了移动构造 函数的类声明一个常量左值为参数的拷贝构造函数，以保证在移动构造不成时，可以使用拷贝构造（不过，我们也会在之后看到一些特殊用途的反例）。

为了语义的完整，C++11中还存在着常量右值引用，比如我们通过以下代码声明一个常量右值引用。
const T && crvalueref = ReturnRvalue();

但是，一来右值引用主要就是为了移动语义，而移动语义需要右值是可以被修改的，那么常量右值引用在移动语义中就没有用武之处；二来如果要引用右值且让右值不可以更改，常量左值引用往往就足够了。因此在现在的情况下，我们还没有看到常量右值引用有何用处。

表3-1中，我们列出了在C++11中各种引用类型可以引用的值的类型。值得注意的是，只要能够绑定右值的引用类型，都能够延长右值的生命期。

表3-1　C++11中引用类型及其可以引用的值类型
引用类型 可以引用的值类型 注　　记
 非常量左值 常量左值 非常量右值 常量右值 
非常量左值引用 Y N N N 无
常量左值引用 Y Y Y Y 全能类型，可用于拷贝语义
非常量右值引用 N N Y N 用于移动语义、完美转发
常量右值引用 N N Y Y 暂无用途

有的时候，我们可能不知道一个类型是否是引用类型，以及是左值引用还是右值引用（这在模板中比较常见）。标准库 在<type_traits>头文件中提供了3个模板类：is_rvalue_reference、 is_lvalue_reference、is_reference，可供我们进行判断。比如：
cout << is_rvalue_reference<string &&>::value;

我们通过模板类的成员value就可以打印出stirng &&是否是一个右值引用了。配合第4章中的类型推导操作符decltype，我们甚至还可以对变量的类型进行判断。当读者搞不清楚引用类型的时候，不妨使用这样的小工具实验一下。