左右值的概念

https://corecppil.github.io/CoreCpp2019/Presentations/Dan_Saks_Lvalues_and_Rvalues.pdf

简述

原版PPT 有31页，我主要摘取几个重要的点。

下面所说的对象都是广义的对象(object) 一个int float 都可以看作一个对象。而 类对象 与区分。

最后的总结是我自己总结的。

正文翻译

概览

• 左右值并非C++ 语言特性，相反，它是表达式的属性。
• 本篇将会通过以下视角理解左右值：
  • 内置运算符的行为
  • 为执行操作而生成的汇编
  • 相关编译器错误含义
  • 引用类型
  • 重载运算符
• 左右值的含义已经发生变化
  • 在早期C ，左右值得概念非常简单。
  • 早期C++，增加了类，const，引用，使得左右值概念复杂起来。
  • 现代C++增加了右值引用，使得左右值进一步复杂
• 本文从历史起源来解释左右值

左值

在 The C Programming Language 中，有以下的定义：

• 左值 起源于 赋值表达式 E1 = E2 ，其中左操作数 E1 必须为左值表达式。

• 一个左值是一个和对象相关的表达式。而一个对象是内存的一块区域。

  int n; //定义一个int 对象命名为 n
  n = 1; //赋值表达式
  

  在赋值表达式中：

  • n 是一个子表达式，和int 对象相关。它是左值
  • 1 是一个子表达式，但是没有和某个对象相关。它是右值

• 所以右值的定义就是非左值

深入底层

为什么需要区分左值和右值？

• 编译器可以假定右值不需要存储空间。（这块意思右值逻辑上不占空间，所以没有引用数组），
• 这在为右值表达式生成代码提供了足够的自由。

继续上面的例子 n = 1：

• 如果 1 是左值的话，编译器认为 1 和一个初始化为1 的内存中对象相关联，假定这块区域称为 one

  • 当执行赋值编译器会生成类似于 mov n, one 即将one 所代表区域的数据拷贝到 n 所代表区域。

  • 而在某些CPU 上，提供直接操作数的功能，类似于 mov n, 1 即将值1 拷贝到n 所代表的区域。

  • 在这种情况下，右值永远不会作为一个存储在数据空间中的对象。相对的，它作为代码空间指令的一部分。

  • 在某些CPU 上，当将 1 赋值给对象，可能会采取这个方式： clr n inc n 即先将n 清零，再增加1 。

假设有这个例子 1 = n：

• 显然C/C++都会报错。但是精确原因是什么？
  • 赋值语句将一个值赋值给一个对象。
  • 左操作数必须为左值
  • 而1 是右值。

总结：所有C 中表达式 要么是左值，要么是右值。左值和数据空间中对象相关联，右值是非左值。对于非类类型的C++ 也是正确的。但如果有类类型，就不那么准确（类对象通常不管左右值都保存在数据空间）。

其它类型

字面值：大部分字面量都是右值（1，3.2，‘c’ 等），它们不一定占用数据空间。但有些字面量（“abcdefg” 等） 却是左值，占用数据空间。

枚举常量：枚举常量也是右值。

将左值用作右值

如果是非类类型，就直接将左值视为右值。如果是类类型，将会执行左值到右值的转换。

表达式的结果

表达式例如 m + n 产生的结果存放在编译器生成的临时对象，通常存放在寄存器中。像这些的临时对象都是右值。

所以 m + 1 = n 先计算 m + 1 产生右值，向右值赋值产生错误。

再例如 &n &1 其运算对象必须是左值，因为右值和数据空间中对象无关，不可寻址。它产生的结果却是右值。

再次强调 左值是编译期的属性，如果 *p 它运算对象可以是左值，也可以是右值例如（ *(p+1) ），但它返回的是左值。即使p 指向nullptr ，编译也不会出错，不过运行会出错。

在C/C++ 中，非类类型的右值不会占用数据空间。而任何类型的左值都会占用。（虽然有时候编译器会优化左值，使其不占用空间，但你应该假定左值都是占用空间）。

常对象

常对象是可寻址的对象。

编译器可能会存储常对象，也可能会优化掉（例如C 中常量是常变量，而 C++ 中会被编译器替换）

C++引用类型

掌握以上左值和右值概念有助于理解C++的引用，引用使C++ 重载运算符的行为类似于内置运算符。

引用用于关联有名对象。引用底层是常量指针，自动解引用产生左值。

enum month {
Jan, Feb, Mar, ~~~, Dec, month_end
};
typedef enum month month;
~~~
for (month m = Jan; m <= Dec; ++m) {
~~~
}

这样的代码在C 中可以正常工作，然而在C++中编译错误。内置的++ 不能用于枚举变量。

常量引用

常量引用可以绑定到非常量，也可以绑定到常量。而普通引用只能绑定非常量。

常量引用自动解引用产生不可改的左值。

类似于普通 指针，普通引用只能绑定到左值上。

常量引用既可以绑定到左值也可以绑定到右值。

const int &thr = 3; 在这种情况下，运行到这时，程序会创建一个int 临时量，其值为3。然后用thr 绑定这个临时量。当离开 thr 的范围，程序销毁这个临时量。

const double &dthr = thr; 程序先会将thr 的值转化为 double ，创建double 临时量，然后保存转化的值。之后用 dthr 绑定到这个临时量。最后，离开范围会销毁这个临时量。

右值引用

在C++ 03 中称为引用的，在C++ 11 中称为 左值引用，为了与新增的右值引用所区分。

右值引用只能绑定右值，哪怕是常右值引用。而常左值引用也可以绑定右值。

现代C++ 通常使用右值操作来避免不必要的拷贝。

与成员函数

成员函数可以用引用限定符重载，左右值调用不同版本。

总结

左右值这个概念最初是从 C 语言来的，其为了CPU 能做某些优化而设置。此时的概念是和内存中区域相关的对象都成为左值，而右值是它的补集。右值不占内存空间。右值通常都是存在 CPU 中的数据。而字面值有可能右值(‘c’)，也有可能是左值(“asdfdsasd”)。

到了早期C++ （C++ 11 之前），出现了引用等。此时右值有时也占用空间（例如右值类对象）。

到了现代C++ （C++ 11及以后），出现了左值引用，右值引用的概念。为了与右值引用区分，之前的引用统称为左值引用。右值引用的出现主要是为了避免不必要的拷贝。