c/c++ 左值 右值讨论

2016-12-14 09:55:53来源:http://blog.csdn.net/zhongjiekangping/article/details/508149作者:zhongjiekangping人点击

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左值性(lvalueness)在C/C++中是表达式的一个重要属性。只有通过一个左值表达式才能来引用及更改一个对象(object)的值。(某些情况下,右值表达式也能引用(refer)到某一个对象,并且可能间接修改该对象的值,后述)。

何谓对象?如果没有明确说明,这里说的对象,和狭义的类/对象(class/object)相比,更为广泛。在C/C++中,所谓的对象指的是执行环境中一块存储区域(a region of storage),该存储区域中的内容则代表(represent)了该对象的值(value)。注意到我们这里所说的"代表",对于一个对象,如果我们需要取出(fetch)它的值,那么我们需要通过一定的类型(type)来引用它。使用不同的类型,对同一对象中的内容的解释会导致可能得到不同的值,或者产生某些未定义的行为。


在介绍左值之前,我们还需要引入一个概念: 变量(variable)。经常有人会把变量与对象二者混淆。什么叫变量?所谓变量是一种声明,通过声明,我们把一个名字(name)与一个对象对应起来,当我们使用该名字时,就表示了我们对该对象进行某种操作。但是并不是每个对象都有名字,也并不意味着有对应的变量。比如临时对象(temporary object)就没有一个名字与之关联(不要误称为临时变量,这是不正确的说法)。


1 C中的左值


1.1按照C的定义,左值是一个引用到对象的表达式,通过左值我们可以取出该对象的值。通过可修改的左值表达式(modifiable lvalue)我们还可以修改该对象的值。(需要说明的是,在C++中,左值还可以引用到函数,即表达式f如果引用的是函数类型,那么在C中它既不是左值也不是右值;而在C++中则是左值)。因为左值引用到某一对象,因此我们使用&对左值表达式(也只能对左值表达式和函数)取址运算时,可以获得该对象的地址(有两种左值表达式不能取址,一是具有位域( bit-field )类型,因为实现中最小寻址单位是 byte;另一个是具有register指定符,使用register修饰的变量编译器可能会优化到寄存器中)。








Ex1.1char a[10]; // a is an lvalue representing an array of 10 ints.char (* p)[10]=&a; // &a is the address of the array a.const char* p="hello world"; //"hello world" is an lvalue of type char[12] //in C, type const char[12] in C++.char (*p)[12]=&"hello world";


struct S{ int a:2; int b: 8; };struct S t;int* p=&t.a; //error. t.a is an lvalue of bitfield.


register int i;int * p=&i; //error. i is an lvalue of register type.int a, b;int * p=& (a+b); //error. a+b is not an lvalue.




1.2假设expr1是一个指向某对象类型或未完整类型(incomplete type,即该类型的布局和大小未知)的指针,那么我们可以断言*expr1一定是个左值表达式,因为按照*运算符的定义,*expr1表示引用到expr1所指向的对象。如果expr1是个简单的名字,该名字代表一个变量。


同样的,该表达式也是个左值,因为他代表的是该变量对应的对象。对于下标运算符,我们一样可以做出同样的结论,因为expr1[expr2]总是恒等于*( ( expr1 )+ expr2 ),那么p->member,同样也是一个左值表达式。然而对于expr1.expr2,则我们不能断定就是个左值表达式。因为expr1可能不是左值。


需要特别说明的是,左值性只是表达式的静态属性,当我们说一个表达式是左值的时候,并不意味着它一定引用到某一个有效存在的对象。int *p; *p是左值表达式,然而这里对*p所引用的对象进行读写的结果将可能是未定义的行为。








Ex1.2 extern struct A a; struct A* p2= &a;


a是个左值表达式,因而可以进行&运算,然而此时stru A仍然没有完整。


//In C++ extern class A a;A & r=a;// OK. Refers to a, though a with an incomplete type.




1.3可修改的左值


在语义上需要修改左值对应的对象的表达式中,左值必须是一个可修改的左值。比如赋值(包括复合赋值)表达式中的左操作数,必须是一个可修改的左值表达式;自增/减运算符的操作数等。







Ex1.3 const int a[2], i; //NOTE: a unintialized. legal in C, illegal in C++. i++; //error, i is an lvalue of type const int. a[0]--;//error, a[0] is an lvalue of const int.


1.4右值与左值相对应的另一个概念是右值(rvalue)。在C中,右值也用表达式的值(value of the expression)来表达。即右值强调的不是表达式本身,而是该表达式运算后的结果。这个结果往往并不引用到某一对象,可以看成计算的中间结果;当然它也可能引用到某一对象,但是通过该右值表达式我们不能直接修改该对象。


1.4.1右值的存储位置


Ex1.4


int i;


i=10;


10在这里是一个右值表达式,上句执行的语义是用整型常量10的值修改i所引用的对象。


从汇编语言上看,上述语句可能被翻译成:


mov addr_of_i,10;


10这个值被硬编码到机器指令中;


右值也可以存储在寄存器中:


int i,j,k;


k=i+j;


i+j表达式是个右值,该右值可能存储在寄存器中。







mov eax, dword ptr[addr_of_i];mov ebx, dword ptr[addr_of_j];add eax, ebx;mov dword ptr[addr_of_k], eax;


在这里,i+j表达式的结果在eax中,这个结果就是i+j表达式的值,它并不引用到某一对象


某些情况下,一个右值表达式可能也引用到一个对象。








struct S{ char c[2];};struct S f(void);


void g(){f().i;f().c[1]; // (*)}




f()表达式是个函数调用,该表达式的类型是f的返回类型struct S,f()表达式为右值表达式,但是在这里往往对应着一个对象,因为这里函数的返回值是一个结构,如果不对应着一个对象(一片存储区域),用寄存器几乎不能胜任,而且[]操作符语义上又要求一定引用到对象。


右值虽然可能引用到对象,然而需要说明的是,在右值表达式中,是否引用到对象及引用得对象的生存期往往并不是程序员所能控制。


1.4.2为什么需要右值?右值表示一个表达式运算后的值,这个值存储的地方并没有指定;当我们需要一个表达式运算后的值时,即我们需要右值。比如在赋值运算时,a=b;我们需要用表达式b的值,来修改a所代表的对象。如果b是个左值表达式,那么我们必须从b所代表的对象中取出(fetch)该对象的值,然后利用该值来修改a代表的对象。这个取出过程,实际上就是一个由左值转换到右值的过程。这个过程,C中没有明确表述;但在C++中,被明确归纳为标准转换之一,左值到右值转换(lvalue-to-rvalue conversion)。回头看看上面的代码,i+j表达式中,+运算符要求其左右操作数都是右值。行1和2,就是取出左值表达式i,j的对应的对象的值的过程。这个过程,就是lvalue-to-rvalue conversion.i+j本身就是右值,这里不需要执行lvalue-to-rvalue conversion,直接将该右值赋值给k.


1.4.3右值的类型右值表达式的类型是什么? 在C中,右值总是cv-unqualified的类型。因为我们对于右值,即使其对应着某个对象, 我们也无从或不允许修改它。而在C++中,对于built-in类型的右值,一样是cv-unqualified,但是类类型(class type)的右值,因为C++允许间接修改其对应的对象,因此右值表达式与左值一样同样有cv-qualified的性质。(详细见后)







Ex1.5void f(int);void g(){ const int i; f(i); //OK. i is an lvalue.After an lvalue-to-rvalue conversion, the rvalue's //type is int.}


1.5在理解了左值和右值的概念后,我们就能够更好理解为什么有些运算符需要右值,而某些场合则需要左值。简单说来,当操作符的某个操作数是一个表达式,而我们只需要该表达式的值时,如果该表达式不是右值,那么我们需要取出该表达式的值;比如算术运算中,我们只需要左右操作数的值,这个时候对左右操作数的要求就是右值。任何用作其操作数的左值表达式,都需要转化为右值。如果我们需要的不是该表达式的值,而是需要使用表达式的其他信息;比如我们只是关心表达式的类型信息,比如作为sizeof的操作数,那么我们对表达式究竟是左值还是右值并不关心,我们只需要得到他的类型信息。(按,在C++中,表达式的类型信息也有静态、动态之分,这个情况下,表达式的左值性,也会影响到一些操作符的语义。比如typeid,后有分析)。有些操作符则必需要求其操作数是左值,因为他们需要的是该表达式所引用对象的信息,比如地址;或者希望引用或修改该对象的值,比如赋值运算。


根据分析,我们可以总结出哪些表达式在C中是左值,而哪些操作符又要求其操作数是左值表达式: 表1:左值表达式 (From C Reference Manual )--------------------------------------------------表达式 | 条件 |__________________________________________________ Name | Name 为变量名 |-------------------------------------------------- E[k] | / |--------------------------------------------------(e) //括号表达式 | e 为左值 |-------------------------------------------------- e.name | e 为左值 |-------------------------------------------------- e->name | / |-------------------------------------------------- *e | / |--------------------------------------------------string literal(字符串字面值) | / |-------------------------------------------------- 这里的左值表达式在前面有得已经说明。只说明一下其余的几个表达式,e.name,如果e是左值,e.name表示引用对象e中的成员name,因而也是左值;括号表达式不改变e的意义,因而不影响他的左值性。另外函数调用(function call)表达式总是右值的。需要特别强调的是string literal,前面已经说明它是左值,在C中具有类型char [N],而在C++中类型则为const char[N]. C中之所以为char [N]类型,主要是保持向前兼容。C++中的左值表达式要更为复杂,但是C中左值表达式,在C++中依然是左值的。


1.5.1要求操作数为左值的操作符有:&(取址运算)(其操作数也可以是函数类型);++/——:赋值表达式的左操作数。另外还有一点需要提及的,在数组到指针转换(array-to-pointer conversion )中, C89/90中要求数组必须是左值数组才能执行该转换。







Ex1.6 char c[2]; c[0]; //


c[0]相当于*(?+0); 然后表达式c从char[2]类型的左值转换为一个char*的右值,该右值代表了数组首元素的地址;








Ex1.7


struct S{ char c[2]; } f(void);void g(){f().c[0];f().c[0]=1; (*)}




表达式f()。c[0]相当于*( (f()。c)+0 ),然而在这里f()。c是一个右值数组,在C89/90中,因此上述表达式是非法的;而在C99中,array to pointer conversion已经不要求是左值数组,上述表达式合法。另外,在这里f()虽然是右值,但是f()却引用到一个对象,我们通过f()。c[0]左值表达式可以引用到该对象的一部分,并且通过(*)可以修改它(因为该左值表达式是modifiable lvalue,但是尝试修改它的行为是未定义的,然而从左右值性上是行得通的 ) * 关于数组类型


数组类型在大部分场合都会退化为一个指向其首元素的指针(右值),因而在左右值性和类型判断上,容易发生误解。数组不发生退化的地方有几个场合,一是声明时;一是用作sizeof的操作数时;一是用作&取址运算的操作数时。








Ex1.8


int a[3]={1,2,3}; int b[3]; b=a; //error. b converted to int* (rvalue): array degration. int* p=a; //array degration: a converted to an rvalue of int* sizeof(a); // no degration. &a; //no degration.




C++中,数组还有其他场合不发生退化,比如作为引用的initializer;作为typeid/ typeinfo的操作数和模板推导时。


2 C++的左值 2.1


与C不同的是,C++中,一个左值表达式,不仅可以引用到对象,同样也可以引用到一个函数上。假定f是一个函数名,那么表达式f就表示一个左值表达式,该表达式引用到对应的函数;void (*p)(void); 那么*p也是一个左值。然而一个函数类型的左值是不可修改的。 *p=f;// error. (注:类的non-static member function,不是这里指的函数类型,它不能脱离对象而存在; 而static member function是函数类型)


另一个不同之处在于,对于register变量,C++允许对其取址,即register int i; &i;这种取址运算,事实上要求C++编译器忽略掉register specifier指定的建议。无论在C/C++中, register与inline一样都只是对编译器优化的一个建议,这种建议的取舍则由编译器决定。


C++中,一个右值的class type表达式,引用到一个对象;这个对象往往是一个临时对象(temporary object)。在C++中,我们可以通过class type的右值表达式的成员函数来间接修改对象。








Ex2.1class A{int i,j;public:void f(){ i=0; }void g() const { i; }};


A foo1();const A foo2();


A().f(); //ok, modify the temporary object.A().g();//ok, refer to the temporary object.


foo1().f();//ok, modify the temporary object.foo1().g();//ok, refer to the temporary object.


typedef const A B;B().f(); //error. B()' s an rvalue with const A,B().g(); //ok, refer to the temporary object.


foo2().f();//error. B()' s an rvalue with const A,foo2().g();//ok, refer to the temporary object




需要再次说明的是,C++中的class type的右值表达式可以具有const/volatile属性,而在C中右值总是cv-unqualified.







Ex2.2struct A{ char c[2]; };const struct A f();


在C中,f()的返回值总是一个右值表达式,具有struct A类型(const被忽略)。


2.2


C++中引入了引用类型(reference type),引用总是引用到某一对象或者函数上,因此当我们使用引用时,相当于对其引用的对象/函数进行操作,因而引用类型的表达式总是左值。


(在分析表达式类型时,如果一个表达式expr最初具有T&类型,该表达式会被看作具有类型T的左值表达式)








Ex2.3extern int& ri;int & f();


int g();f()=1;ri=1;g()=1;// error.




函数调用f()的返回类型为int&, 因此表达式f()的类型等价于一个int类型的左值表达式。


而函数调用g()的返回类型为int,因此表达式g()为int类型的右值表达式。


与C++相比,C中函数调用的返回值总是右值的。


2.3


与C相比,在C++中,转换表达式可能产生左值。如果转换的目标类型为引用类型T&,转换表达式的结果就是一个类型T的左值表达式。








Ex2.4struct base{ //polymorphic typeint i;virtual f() { }// do nothing;};


struct derived: base {};


derived d;base b;dynamic_cast(d).i=1; // dynamic_cast yields an lvalue of type base.dynamic_cast(d); //yields an rvalue of type base.static_cast(d).i=1; //


( (base&)d ).i=1;




2.4


对于member selection表达式E1.E2,C++则比C要复杂的多。


A)如果E2表达式类型是T&,那么表达式E1.E2也是一个T的左值表达式。


B)如果E2不是引用类型的话,但是一个类型T的static 成员(data/function member),那么E1.E2也将是一个T的左值表达式,因为E1.E2实际上引用到的是一个static成员,该成员的存在与否与E1的左值性没有关系。


C)如果E1是左值,且E2是数据成员(data member),那么E1.E2 是左值,引用到E1所代表的对象的相应的数据成员。








Ex2.5


struct A{public:


static int si;static void sf();


int i;void f();int & ri;};


extern A a;


A g();


void test(){void (*pf1)()=&a.sf; //a.sf is an lvalue of function type, refers to A::sf.void (*pf2)()=&a.f; //error. a.f is not an lvalue and types mismatch.


g().ri=1; //ok. g().ri is a modifiable lvalue, though g() is an rvalue.g().si=1; //ok. Refers to A::si;g().i=1; //error. g().i is an rvalue.


a.i=1; //ok. a is an lvalue.


}




对于E1->E2,则可以看成(*E1)。E2再用上述方式来判断。


对于表达式E1.*E2, 在E1是左值和E2是一个指向数据成员的指针的条件下,该表达式是左值。


对于E1->*E2,可以看作(*E1)。*E2.在E2是一个指向数据成员的指针的条件下,该表达式是左值。


2.5


与C相比,C++中前缀++/——表达式、赋值表达式都返回左值。


逗号表达式的第二个操作数如果是左值表达式的话,逗号表达式也是左值表达式。


条件表达式(? :)中,如果第2和第3个操作数具有相同类型,那么该条件表达式的结果也是左值的。








Ex2.6


int i,j;int & ri=i;int* pi=&(i=1); //ok, i=1 is an modifiable lvalue referring to i;++++i; //ok. But maybe issues undefined behavior because of the constraints//about sequence points.


(i=2, j) =1; //ok( ( I==1 ) ? ri : j ) = 0; //ok




需要当心的是,因为这种修改,在C中well-formed的代码,在C++中可能会产生未定义行为;另一方面会造成在C/C++中即使都是well-formed的代码,也会产生不同的行为。








Ex2.7int i, j;i=j=1; //well formed in C, maybe undefined in C++.


char array[100];sizeof(0, array);




在C中,sizeof(0, array) == sizeof(char*)。而在C++中,sizeof(0, array)== 100;


2.6


typeid表达式总是左值的。


2.7


C++中需要左值的场合:


1) 赋值表达式中的左操作数,需要可修改的左值;


2) 自增/减中的操作数;


3) 取址运算中的操作数,需要左值(对象类型,或者函数类型),或者qualified id.


4) 对于重载的操作符来说,因为执行的是函数的语义,该操作符对于操作数的左值性要求、该操作符表达式的类型和左值性, 均由其函数声明决定。


2.8


左值性对程序行为的影响:


2.8.1


表达式的左值性对于程序的行为有重要的影响。如果一个需要(可修改)左值的场合,而没有对应的符合要求的左值,程序将是ill-formed;反之,如果需要一个右值的话,那么一个左值表达式就需要通过lvalue-to-rvalue conversion,转换为一个右值。


一个需要左值,或仅仅需要表达式的静态类型信息,而不关心表达式的左值性的场合,则往往抑制了在左值表达式上的一些标准转换;而对于需要右值的场合,一个左值表达式往往需要经过函数-指针转换、数组-指针转换和左右值转换等。







Ex2.8char c[100];char (&rarr)[100]=c; // suppresses array-to-pointer conversion on c.char* p1=c; //c will be adjusted to type "char *".void f();void (&rf)()=f; //suppresses function-to-pointer conversion on expression fvoid (*pf)()=f; //f will be adjusted to type "pointer to function//type void () ".sizeof(0, c); // the expression's value is sizeof(char*) in c;//100 in C++, since the expression (0,c) is an lvalue//in C++.


2.8.2


除此之外,有些场合无论左右值都可接受,但是根据表达式的左右值性,执行不同的行为:








Ex2.9


typeid's behavior


class B{ public: virtual f() { } }; //polymorphic type.class A {};B& foo();


typeid(foo()); // foo() is an lvalue of a polymorphic type. Runtime check.typeid(A()); //rvalue, staticallytypeid(B()); //rvalue, statically


A a;typeid(a); //lvalue of a non-polymorphic type, statically.


//..........................reference's behavior


class C{ private: C(const C&); };//NOTICE


extern C c;C g();


C& rc1=c; //bind directly. (1)C& rc2=g()//error. (2)const C& r2=g(); //error. (3)




这里表达式c是个左值表达式,且其类型(C)与rc1的类型兼容,因此(1)式直接绑定;而(2)和(3)中,右边的表达式均为右值表达式,且该右值表达式又不能通过user conversion转换成与左边的变量兼容的类型,因此语义上这里需要构造一个临时对象,并使用C的构造函数和右值g()来初始化它,但是这里的C的拷贝构造函数(copy ctor)又不可访问,因此以上声明语句非法。

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