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C++11右值引用(一看即懂)

C++11是什么》一节中提到,在 C++98/03 标准的基础上,C++11 标准对 C++ 语言增添了约 140 个新特性。本节要讲的右值引用就是众多新特性中的一个,同时也是最重要的特性之一。

很多初学者都感觉右值引用晦涩难懂,其实不然。右值引用只不过是一种新的 C++ 语法,真正理解起来有难度的是基于右值引用引申出的 2 种 C++ 编程技巧,分别为移动语义和完美转发。本节先给读者讲解什么是右值引用以及它的基本用法,至于移动语义和完美转发则放到后续章节讲解。

C++左值和右值

右值引用可以从字面意思上理解,指的是以引用传递(而非值传递)的方式使用 C++ 右值。关于 C++ 引用,已经在《C++引用》专题给大家做了详细的讲解,这里不再重复赘述。接下来重点给大家介绍什么是 C++ 右值。

在 C++ 或者 C 语言中,一个表达式(可以是字面量、变量、对象、函数的返回值等)根据其使用场景不同,分为左值表达式和右值表达式。确切的说 C++ 中左值和右值的概念是从 C 语言继承过来的。

值得一提的是,左值的英文简写为“lvalue”,右值的英文简写为“rvalue”。很多人认为它们分别是"left value"、"right value" 的缩写,其实不然。lvalue 是“loactor value”的缩写,可意为存储在内存中、有明确存储地址(可寻址)的数据,而 rvalue 译为 "read value",指的是那些可以提供数据值的数据(不一定可以寻址,例如存储于寄存器中的数据)。

通常情况下,判断某个表达式是左值还是右值,最常用的有以下 2 种方法。

1) 可位于赋值号(=)左侧的表达式就是左值;反之,只能位于赋值号右侧的表达式就是右值。举个例子:

int a = 5;
5 = a; //错误,5 不能为左值

其中,变量 a 就是一个左值,而字面量 5 就是一个右值。值得一提的是,C++ 中的左值也可以当做右值使用,例如:

int b = 10; // b 是一个左值
a = b; // a、b 都是左值,只不过将 b 可以当做右值使用


2) 有名称的、可以获取到存储地址的表达式即为左值;反之则是右值。

以上面定义的变量 a、b 为例,a 和 b 是变量名,且通过 &a 和 &b 可以获得他们的存储地址,因此 a 和 b 都是左值;反之,字面量 5、10,它们既没有名称,也无法获取其存储地址(字面量通常存储在寄存器中,或者和代码存储在一起),因此 5、10 都是右值。 

注意,以上 2 种判定方法只适用于大部分场景。由于本节主要讲解右值引用,因此这里适可而止,不再对 C++ 左值和右值做深度剖析,感兴趣的读者可自行研究。

C++右值引用

前面提到,其实 C++98/03 标准中就有引用,使用 "&" 表示。但此种引用方式有一个缺陷,即正常情况下只能操作 C++ 中的左值,无法对右值添加引用。举个例子:
int num = 10;
int &b = num; //正确
int &c = 10; //错误
如上所示,编译器允许我们为 num 左值建立一个引用,但不可以为 10 这个右值建立引用。因此,C++98/03 标准中的引用又称为左值引用

注意,虽然 C++98/03 标准不支持为右值建立非常量左值引用,但允许使用常量左值引用操作右值。也就是说,常量左值引用既可以操作左值,也可以操作右值,例如:
int num = 10;
const int &b = num;
const int &c = 10;
我们知道,右值往往是没有名称的,因此要使用它只能借助引用的方式。这就产生一个问题,实际开发中我们可能需要对右值进行修改(实现移动语义时就需要),显然左值引用的方式是行不通的。

为此,C++11 标准新引入了另一种引用方式,称为右值引用,用 "&&" 表示。

话说,C++标准委员会在选定右值引用符号时,既希望能选用现有 C++ 内部已有的符号,还不能与 C++ 98 /03 标准产生冲突,最终选定了 2 个 '&' 表示右值引用。

需要注意的,和声明左值引用一样,右值引用也必须立即进行初始化操作,且只能使用右值进行初始化,比如:
int num = 10;
//int && a = num;  //右值引用不能初始化为左值
int && a = 10;
和常量左值引用不同的是,右值引用还可以对右值进行修改。例如:
int && a = 10;
a = 100;
cout << a << endl;
程序输出结果为 100。

另外值得一提的是,C++ 语法上是支持定义常量右值引用的,例如:
const int&& a = 10;//编译器不会报错
但这种定义出来的右值引用并无实际用处。一方面,右值引用主要用于移动语义和完美转发,其中前者需要有修改右值的权限;其次,常量右值引用的作用就是引用一个不可修改的右值,这项工作完全可以交给常量左值引用完成。

学到这里,一些读者可能无法记清楚左值引用和右值引用各自可以引用左值还是右值,这里给大家一张表格,方便大家记忆:

表 1 C++左值引用和右值引用
引用类型 可以引用的值类型 使用场景
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
常量左值引用 Y Y Y Y 常用于类中构建拷贝构造函数
非常量右值引用 N N Y N 移动语义、完美转发
常量右值引用 N N Y Y 无实际用途

表中,Y 表示支持,N 表示不支持。

其实,C++11 标准中对右值做了更细致的划分,分别称为纯右值(Pure value,简称 pvalue)和将亡值(eXpiring value,简称 xvalue )。其中纯右值就是 C++98/03 标准中的右值(本节中已经做了大篇幅的讲解),而将亡值则指的是和右值引用相关的表达式(比如某函数返回的 T && 类型的表达式)。对于纯右值和将亡值,都属于右值,读者知道即可,不必深究。

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