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值類別,以及其參考

本主題介紹和說明 C++ 中存在的各種值類別 (以及值參考):

  • glvalue
  • lvalue
  • xlvalue
  • prvalue
  • rvalue

您必定聽說 lvaluervalue。 但是,您可能不會以本主題所呈現的詞彙來思考它們。

採用 C++ 的每個運算式都會產生一個值,該值屬於上述五個類別其中之一。 C++ 語言有一些層面:其設備和規則,都需要您適當了解這些值類別,以及它們的參考。 這些層面包括取得值的位址、複製值、移動值,以及將值轉送到另一個函式。 本主題不會深入討論上述所有層面,但會提供充分了解它們的基本資訊。

本主題中的資訊是根據 Stroustrup 的值類別分析 (依照身分識別和可移動性的兩個獨立屬性分析) 來構想 [Stroustrup 2013]。

lvalue 具有身分識別

值具有「身分識別」是什麼意思? 如果您有 (或可取得) 值的記憶體位址並安全地使用,則此值就有身分識別。 如此一來,您不只可以比較值的內容,還可以依照身分識別比較或區分它們。

lvalue 具有身分識別。 現在只關乎歷史價值:"lvalue" 中的 "l" 是 "left" 的縮寫 (就像,在指派的左手邊)。 在C++,lvalue 可以出現在指派的左邊「或」右邊。 然後,"lvalue" 中的 "l" 實際上不會幫助您理解或定義其意義。 您只需要了解我們所謂的 lvalue 是具有身分識別的值。

lvalue 的運算式範例包括:具名的變數或常數;或可傳回參考的函式。 「不是」lvalue 的運算式範例包括:暫存項目;或可依照值傳回資料的函式。

int& get_by_ref() { ... }
int get_by_val() { ... }

int main()
{
    std::vector<byte> vec{ 99, 98, 97 };
    std::vector<byte>* addr1{ &vec }; // ok: vec is an lvalue.
    int* addr2{ &get_by_ref() }; // ok: get_by_ref() is an lvalue.

    int* addr3{ &(get_by_ref() + 1) }; // Error: get_by_ref() + 1 is not an lvalue.
    int* addr4{ &get_by_val() }; // Error: get_by_val() is not an lvalue.
}

現在,lvalue 確實有身分識別,xvalue 也是如此。 我們稍後會在本主題中更確切討論什麼是 xvalue。 現在,只要知道有一個名為 glvalue 的值類別即可,其代表「廣義 lvalue」。 glvalue 的集合是 lvalue (也稱為傳統 lvalue) 和 xvalue 的超集。 因此,「lvalue 具有身分識別」是真的,而具有身分識別的完整項目集合就是 glvalue 集合,如下圖所示。

lvalue 具有身分識別

rvalue 可移動;lvalue 不可移動

但有不是 glvalue 的值。 換句話說,有一些您無法取得其記憶體位址 (或您無法依賴它生效) 的值。 我們在上述程式碼範例中看見一些這類值。

沒有可靠的記憶體位址聽起來像是缺點。 但事實上,這類值的優點就是您可以移動 (通常成本低廉),而不是複製 (通常成本昂貴)。 移動值表示其已不存在於原本的位置。 因此,應避免嘗試在其原本的位置存取。 討論何時及「如何」移動值已超出本主題的範圍。 在本主題中,我們只需要知道可移動的值即為 rvalue (或傳統 rvalue)。

"rvalue" 中的 "r" 是 "right" 的縮寫 (就像,在指派的右手邊)。 但您可以在指派之外使用 rvalue,以及 rvalue 的參考。 然而,"rvalue" 中的 "r" 不是要聚焦的項目。 您只需要了解我們所謂的 rvalue 是可移動的值。

相反地,lvalue 不可移動,如此圖所示。 如果 lvalue 要移動,則這與 lvalue 的定義相矛盾。 對於非常合理預期能夠繼續存取 lvalue 的程式碼而言會是非預期的問題。

rvalue 可移動;lvalue 不可移動

因此您無法移動 lvalue。 但一種您可移動的 glvalue (具有身分識別的項目集合),如果您知道您正在做什麼 (包括小心不要在移動後存取它),也就是 xvalue。 當我們稍後於本主題中研究值類別的全貌時,我們將會再次探討這個概念。

Rvalue 參考和參考繫結規則

本節將介紹 rvalue 參考的語法。 我們必須等待另一個主題討論移動和轉送的實質處理方式,但足以說明右值參考是解決這些問題的必要項目。 不過,在我們研究 rvalue 參考之前,我們必須先更清楚了解 T&,我們之前一直稱為「參考」的項目。 這實際上是「lvalue (non-const) 參考」,其會參考參考用戶可寫入的值。

template<typename T> T& get_by_lvalue_ref() { ... } // Get by lvalue (non-const) reference.
template<typename T> void set_by_lvalue_ref(T&) { ... } // Set by lvalue (non-const) reference.

lvalue 參考可以繫結至 lvalue,但不可繫結至 rvalue。

而後有 lvalue const 參考 (T const&),其參照參考的使用者「無法」寫入其中的物件 (例如,常數)。

template<typename T> T const& get_by_lvalue_cref() { ... } // Get by lvalue const reference.
template<typename T> void set_by_lvalue_cref(T const&) { ... } // Set by lvalue const reference.

lvalue const 參考可以繫結至 lvalue 或 rvalue。

類型 T 的 rvalue 參考語法會撰寫為 T&&。 rvalue 參考會參照可移動的值,我們在使用後不需要保留其內容的值 (例如,暫存項目)。 由於重點在於從繫結至 rvalue 參考的值移動 (從而修改),因此 constvolatile 限定詞 (也稱為 cv 限定詞) 不會套用至 rvalue 參考。

template<typename T> T&& get_by_rvalue_ref() { ... } // Get by rvalue reference.
struct A { A(A&& other) { ... } }; // A move constructor takes an rvalue reference.

rvalue 參考會繫結至 rvalue。 事實上,就多載解析而論,rvalue「偏好」繫結至 rvlue 參考 (相較於 lvalue const 參考)。 但是 rvlue 參考無法繫結至 lvalue,因為我們已經說過,rvlue 參考會參照假設我們不需要保留其內容的值 (例如,移動建構函式的參數)。

您也可以透過複製建構 (如果 rvalue 是 xvalue,則透過移動建構),傳遞預期有 by-value 的 rvalue。

glvalue 具有身分識別;prvalue 則不具備

在這個階段,我們知道何者具有身分識別。 而且我們知道何者可移動,何者不可移動。 但我們尚未命名「沒有」身分識別的值集。 該值集就是所謂的 prvalue或「單純 rvalue」

int& get_by_ref() { ... }
int get_by_val() { ... }

int main()
{
    int* addr3{ &(get_by_ref() + 1) }; // Error: get_by_ref() + 1 is a prvalue.
    int* addr4{ &get_by_val() }; // Error: get_by_val() is a prvalue.
}

glvalue 具有身分識別;prvalue 則不具備

值類別的全貌

仍然只是將上面的資訊與圖解結合成一個大圖片。

值類別的全貌

glvalue (i)

glvalue (廣義 lvalue) 具有身分識別。 我們將會使用 "i" 作為「具有身分識別」的速記。

lvalue (i&!m)

lvalue (一種 glvalue) 具有身分識別,但不是可移動。 這些通常是您依照參考或依照 const 參考,或依照值 (如果複製成本低廉) 傳遞的讀寫值。 lvalue 無法繫結至 rvalue 參考。

xvalue (i&m)

xvalue (一種 glvalue,但也是一種 rvalue) 具有身分識別,也可移動。 這可能是您先前因為複製成本昂貴而決定要移動的 lvalue,您得小心之後不要存取它。 以下顯示如何將 lvalue 轉換成 xvalue。

struct A { ... };
A a; // a is an lvalue...
static_cast<A&&>(a); // ...but this expression is an xvalue.

在上述程式碼範例中,我們尚未移轉任何項目。 我們僅是將 lvalue 轉換為未具名的 rvalue 參考,而建立了 xvalue。 它仍可依照其 lvalue 名稱識別,但作為 xvalue,現在就「能夠」移動。 移動的原因以及實際的移動情況,就必須等待另一個主題說明。 但您可以將 "xvalue" 中的 "x" 認為是「只有專家才懂」(如果這有幫助的話)。 將 lvalue 轉換為 xvalue (請記得是一種 rvalue),而後此值就能夠繫結至 rvalue 參考。

以下是 xvalue 的兩個其他範例,呼叫可傳回未具名 rvalue 參考的函式,並存取 xvalue 的成員。

struct A { int m; };
A&& f();
f(); // This expression is an xvalue...
f().m; // ...and so is this.

prvalue (!i&m)

Prvalue (單純;一種 rvalue) 沒有身分識別,但可移動。 這些通常都是暫存項目或呼叫函式 (其可依照值傳回資料) 的結果,或是評估任何其他非 glvalue 運算式的結果。

rvalue (m)

rvalue 是可移動。 我們將會使用 "m" 作為「可移動」的速記。

rvalue「參考」一律會參照 rvalue (假設我們不需要保留其內容的值)。

但是,rvalue 參考本身是 rvalue 嗎? 「未具名」的 rvalue 參考 (如同上述 xvalue 程式碼範例所示的項目) 是 xvalue,所以它就是 rvalue。 它偏好繫結至 rvalue 參考函式參數,例如移動建構函式的參數。 相反地 (或許反直覺),如果 rvalue 參考具有名稱,則該名稱所組成的運算式為 lvalue。 因此它「無法」繫結至 rvalue 參考參數。 但這麼做很輕鬆,只要將它再次轉換為未具名的 rvalue 參考 (xvalue)。

void foo(A&) { ... }
void foo(A&&) { ... }
void bar(A&& a) // a is a named rvalue reference; so it's an lvalue.
{
    foo(a); // Calls foo(A&).
    foo(static_cast<A&&>(a)); // Calls foo(A&&).
}
A&& get_by_rvalue_ref() { ... } // This unnamed rvalue reference is an xvalue.

!i&!m

沒有身分識別且不可移動的值類型是我們還沒討論的一個組合。 但我們可以忽略它,因為該類別不是 C++ 語言中的實用概念。

參考摺疊規則

運算式中的多個相似參考 (lvalue 參考對 lvalue 參考,或 rvalue 參考對 rvalue 參考) 會相互抵消。

  • A& & 會摺疊成 A&
  • A&& && 會摺疊成 A&&

運算式中的多個相異參考會摺疊成 lvalue 參考。

  • A& && 會摺疊成 A&
  • A&& & 會摺疊成 A&

轉送參考

最後這一節會對比 rvalue 參考 (我們已經討論過) 與「轉送參考」的不同概念。 在創造「轉送參考」一詞之前,一些人士使用了「通用參考」一詞。

void foo(A&& a) { ... }
  • 如我們所見,A&& 是 rvalue 參考。 Const 和 volatile 不適用於 rvalue 參考。
  • foo 只接受類型 A 的 rvalue。
  • rvalue 參考 (例如 A&&) 存在的原因,是方便您撰寫針對傳遞暫存項目 (或其他 rvalue) 的情況最佳化的多載。
template <typename _Ty> void bar(_Ty&& ty) { ... }
  • _Ty&& 是「轉送參考」。 根據您傳遞至 bar 的項目,類型 _Ty 可能是與 volatile/非 volatile 無關的 const/非 const。
  • bar 接受任何類型 _Ty 的 lvalue 或 rvalue。
  • 傳遞 lvalue 會導致轉送參考變成 _Ty& &&,這會摺疊成 lvalue 參考_Ty&
  • 傳遞 rvalue 會導致轉送參考變成 rvalue 參考 _Ty&&
  • 轉送參考 (例如 _Ty&&) 存在的原因「不是」為了最佳化,而是為了取得您傳遞給它們的項目,以及透明且有效地進行轉送。 只有撰寫 (或仔細研究) 程式庫程式碼,才可能遇到轉送參考,例如,在建構函式引數上轉送的 factory 函式。

來源

  • [Stroustrup, 2013] B. Stroustrup: The C++ Programming Language, Fourth Edition. Addison-Wesley. 2013.