话说C++中的左值、纯右值、将亡值

写在前面

C++中有“左值”、“右值”的概念，C++11以后，又有了“左值”、“纯右值”、“将亡值”的概念。关于这些概念，许多资料上都有介绍，本文在拾人牙慧的基础上又加入了一些自己的一些理解，同时提出了一些需要读者特别注意的地方，主要目的有二：
      1.尽可能地将这些概念介绍清楚。
      2.为后续介绍完美转发和移动语义做好铺垫。

正文

一、表达式

要说清“三值”，首先要说清表达式。

定义
            由运算符(operator)和运算对象(operand)^①构成的计算式（类似于数学上的算术表达式）。
      举例
            字面值(literal)和变量(variable)是最简单的表达式，函数的返回值也被认为是表达式。

二、值类别

表达式是可求值的，对表达式求值将得到一个结果(result)。这个结果有两个属性：类型和值类别（value categories）。下面我们将详细讨论表达式的值类别^②。

在c++11以后，表达式按值类别分，必然属于以下三者之一：左值(left value,lvalue)，将亡值(expiring value,xvalue)，纯右值(pure rvalue,pralue)。其中，左值和将亡值合称泛左值(generalized lvalue,glvalue)，纯右值和将亡值合称右值(right value,rvalue)。见下图

有一点需要说明，严格来讲，“左值”是表达式的结果的一种属性，但更为普遍地，我们通常用“左值”来指代左值表达式（正如上边一段中做的那样）。所谓左值表达式，就是指求值结果的值类别为左值的表达式。通常我们无需区分“左值”指的是前者还是后者，因为它们表达的是同一个意思，不会引起歧义。在后文中，我们依然用左值指代左值表达式。对于纯右值和将亡值，亦然。

三、详细说明

事实上，无论是左值、将亡值还是纯右值，我们目前都没有一个精准的定义。它们事实上表征了表达式的属性，而这种属性的区别主要体现在使用上，如能否做运算符的左操作数、能否使用移动语义（关于移动语义，在下的后续文章中会详细介绍）等。因此，从实际应用出发，我们首先需要做到的是：给定一个表达式，能够正确地判断出它的值类别。为了使读者能够做到这一点，在下采取了一个实际的方式：先对各个值类别的特征加以描述，然后指出常见的表达式里边，哪些属于该类别。

左值

描述
     能够用&取地址的表达式是左值表达式。
举例
     函数名和变量名（实际上是函数指针^③和具名变量，具名变量如std::cin、std::endl等）、返回左值引用的函数调用、前置自增/自减运算符连接的表达式++i/--i、由赋值运算符或复合赋值运算符连接的表达式(a=b、a+=b、a%=b）、解引用表达式*p、字符串字面值"abc"（关于这一点，后面会详细说明）等。

纯右值

描述
     满足下列条件之一：
     1）本身就是赤裸裸的、纯粹的字面值，如3、false；
     2）求值结果相当于字面值或是一个不具名的临时对象。
举例
      除字符串字面值以外的字面值、返回非引用类型的函数调用、后置自增/自减运算符连接的表达式i++/i--、算术表达式（a+b、a&b、a<<b）、逻辑表达式（a&&b、a||b、~a）、比较表达式（a==b、a>=b、a<b）、取地址表达式（&a）等。

下面从上面的例子中选取若干典型详细说明左值和纯右值的判断。

1）++i是左值，i++是右值。
      前者，对i加1后再赋给i，最终的返回值就是i，所以，++i的结果是具名的，名字就是i；而对于i++而言，是先对i进行一次拷贝，将得到的副本作为返回结果，然后再对i加1，由于i++的结果是对i加1前i的一份拷贝，所以它是不具名的。假设自增前i的值是6，那么，++i得到的结果是7，这个7有个名字，就是i；而i++得到的结果是6，这个6是i加1前的一个副本，它没有名字，i不是它的名字，i的值此时也是7。可见，++i和i++都达到了使i加1的目的，但两个表达式的结果不同。

2）解引用表达式*p是左值，取地址表达式&a是纯右值。
      &(*p)一定是正确的，因为*p得到的是p指向的实体，&(*p)得到的就是这一实体的地址，正是p的值。由于&(*p)的正确，所以*p是左值。而对&a而言，得到的是a的地址，相当于unsigned int型的字面值，所以是纯右值。

3）a+b、a&&b、a==b都是纯右值
      a+b得到的是不具名的临时对象，而a&&b和a==b的结果非true即false，相当于字面值。

将亡值

描述
     在C++11之前的右值和C++11中的纯右值是等价的。C++11中的将亡值是随着右值引用^④的引入而新引入的。换言之，“将亡值”概念的产生，是由右值引用的产生而引起的，将亡值与右值引用息息相关。所谓的将亡值表达式，就是下列表达式：
      1）返回右值引用的函数的调用表达式
      2）转换为右值引用的转换函数的调用表达式
      读者会问：这与“将亡”有什么关系？
      在C++11中，我们用左值去初始化一个对象或为一个已有对象赋值时，会调用拷贝构造函数或拷贝赋值运算符来拷贝资源（所谓资源，就是指new出来的东西），而当我们用一个右值（包括纯右值和将亡值）来初始化或赋值时，会调用移动构造函数或移动赋值运算符^⑤来移动资源，从而避免拷贝，提高效率（关于这些知识，在后续文章讲移动语义时，会详细介绍）。当该右值完成初始化或赋值的任务时，它的资源已经移动给了被初始化者或被赋值者，同时该右值也将会马上被销毁（析构）。也就是说，当一个右值准备完成初始化或赋值任务时，它已经“将亡”了。而上面1）和2）两种表达式的结果都是不具名的右值引用，它们属于右值（关于“不具名的右值引用是右值”这一点，后面还会详细解释）。又因为
       1）这种右值是与C++11新生事物——“右值引用”相关的“新右值”
       2）这种右值常用来完成移动构造或移动赋值的特殊任务，扮演着“将亡”的角色
       所以C++11给这类右值起了一个新的名字——将亡值。
举例
       std::move()、tsatic_cast<X&&>(x)（X是自定义的类，x是类对象，这两个函数常用来将左值强制转换成右值，从而使拷贝变成移动，提高效率，关于这些，后续文章中会详细介绍。）
附注
      事实上，将亡值不过是C++11提出的一块晦涩的语法糖。它与纯右值在功能上及其相似，如都不能做操作符的左操作数，都可以使用移动构造函数和移动赋值运算符。当一个纯右值来完成移动构造或移动赋值任务^⑥时，其实它也具有“将亡”的特点。一般我们不必刻意区分一个右值到底是纯右值还是将亡值。

关于“三值”的大体介绍，就到此结束了。想要获知更加详细的内容，读者可以参考cppreference上的文章：
      http://naipc.uchicago.edu/2015/ref/cppreference/en/cpp/language/value_category.html （精简版）  
      和
      http://en.cppreference.com/w/cpp/language/value_category  （详细版）
      文章对“三值”进行了详细地讲述，同时讲出了将左值和将亡值合称泛左值的原因（这是本文未详细讨论的），如两者都可以使用多态，都可以隐式转换成纯右值，都可以是不完全类型（incomplete type）等。之所以不展开叙述，是因为在下实在举不出合适的代码来加以佐证。这里在下恳请各位读者不吝赐教。另外，关于文章（特别是详细版）中的一些观点，在下不敢苟同，篇幅原因，在下就不一一叙述了。

四、特别注意

最后，关于“三值”，有些地方需要大家特别注意。

1）字符串字面值是左值。

不是所有的字面值都是纯右值，字符串字面值是唯一例外。
      早期C++将字符串字面值实现为char型数组，实实在在地为每个字符都分配了空间并且允许程序员对其进行操作，所以类似

cout<<&("abc")<<endl;
char *p_char="abc";//注意不是char *p_char=&("abc");

这样的代码都是可以编译通过的。
       注意上面代码中的注释，"abc"可以直接初始化指针p_char，p_char的值为字符串"abc"的首字符a的地址。而&("abc")被编译器编译为const的指向数组的指针const char (*) [4]（之所以是4，是因为编译器会在"abc"后自动加上一个'\0'），它不能初始化char *类型，即使是const char *也不行。另外，对于char *p_char="abc";，在GCC编译器上,GCC4.9(C++14)及以前的版本会给出警告，在GCC5.3(C++14)及以后的版本则直接报错：ISO C++ forbids converting a string constant to 'char*'（ISO C++禁止string常量向char*转换）。但这并不影响“字符串字面值是左值”这一结论的正确性，因为cout<<&("abc")<<endl;一句在各个版本的编译器上都能编译通过，没有警告和错误。

2)具名的右值引用是左值，不具名的右值引用是右值。

见下例（例一）

void foo(X&& x)
{
    X anotherX = x;
   //后面还可以访问x
 }

上面X是自定义类，并且，其有一个指针成员p指向了在堆中分配的内存；参数x是X的右值引用。如果将x视为右值，那么，X anotherX=x;一句将调用X类的移动构造函数，而我们知道，这个移动构造函数的主要工作就是将x的p指针的值赋给anotherX的p指针，然后将x的p指针置为nullptr。（后续文章讲移动构造函数时会详细说明）。而在后面，我们还可以访问x，也就是可以访问x.p，而此时x.p已经变成了nullptr，这就可能发生意想不到的错误。  

又如下例（例二）

X& foo(X&& x)
{
     //对x进行一些操作
     return x;
}

//调用
foo(get_a_X());//get_a_X()是返回类X的右值引用的函数

上例中，foo的调用以右值（确切说是将亡值）get_a_X()为实参，调用类X的移动构造函数构造出形参x，然后在函数体内对x进行一些操作，最后return X，这样的代码很常见，也很符合我们的编写思路。注意foo函数的返回类型定义为X的引用，如果x为右值，那么，一个右值是不能绑定到左值引用上去的。 
      为避免这种情况的出现，C++规定：具名的右值引用是左值。这样一来，例一中X anotherX = x;一句将调用X的拷贝构造函数，执行后x不发生变化，继续访问x不会出问题；例二中，return x也将得到允许。
      例二中，get_a_X返回一个不具名右值引用，这个不具名右值引用的唯一作用就是初始化形参x，在后面的代码中，我们不会也无法访问这个不具名的右值引用。C++将其归为右值，是合理的，一方面，可以使用移动构造函数，提高效率；另一方面，这样做不会出问题。

至此，关于“三值”的内容就全部介绍完了。

注释：

①只有当存在两个或两个以上的运算对象时才需要运算符连接，单独的运算对象也可以是表达式，例如上面提到的字面值和变量。
      ②确切说，是表达式的结果的值类别，但我们一般不刻意区分表达式和表达式的求值结果，所以这里称“表达式的值类别”。
      ③当我们将函数名作为一个值来使用时，该函数名自动转换为指向对应函数的指针。
      ④关于右值引用本身，没什么可说的，就是指可以绑定到右值上的引用，用"&&"表示，如int &&rra=6;。相比之下，与右值引用相关的一些主题，如移动语义、引用叠加、完美转发等，更值得我们深入探讨。这些内容，在下在后续文章中都会详细介绍。
      ⑤前提是该右值（如自定义的类X）有移动构造函数或移动赋值运算符可供调用（有时候是没有的，关于这些知识，后续文章在讲移动构造函数和移动赋值运算符时会详述）。
      ⑥在本文的例二中，如果将get_a_X()的返回值由X的右值引用改为X对象，则get_a_X()是纯右值表达式（如前所述，返回非引用类型的函数调用是纯右值），此时Foo(get_a_X());一句调用的仍然是类X的移动构造函数，这就是一个纯右值完成移动构造的例子。

写在后面

在下在参阅许多资料之后，再结合自己的理解，整理出了这篇文章，力图能实现在下写博客（不光是这篇，是所有）的初衷——为初学者服务，尽量把话说明白。但是，由于“三值”问题本身较为复杂，再加上在下才疏学浅，表达能力有限，错误疏漏及其它不足之处在所难免。所以，希望广大读者能够用批判的眼光来阅读这篇文章，更恳请大家对在下的错误疏漏提出批评指正。您的批评指正，既是对在下莫大的帮助，更是在下进步的力量源泉。