左值右值和左值引用右值引用

在 C++ 中，左值、右值以及引用是我们经常遇到的概念，深入理解它们对于编写高效且清晰的代码至关重要。在本篇博客中，我们将探讨这些概念的含义、区别以及在实际编程中的应用。

左值和右值

左值和右值是 C++ 中的两种基本表达式类型，它们对应于赋值操作中的左侧和右侧。简而言之，左值是可以取地址的表达式，而右值是临时的、不能取地址的表达式。

• 左值（Lvalues）：具有持久性和身份的表达式，可以取地址的表达式，有较长的生命周期。例如，变量、数组元素、对象成员等都是左值。

• 右值（Rvalues）：临时的、一次性的值，不能取地址的表达式，生命周期很短。例如，常量、临时变量、表达式的计算结果等都是右值。

对于自增运算符x++和++x，x++会生成一份x的临时复制，然后对x自增，返回复制的内容，所以是一个右值；而++x是直接对x递增后返回其自身，所以是左值，并且像++++x是可以正常使用的。

可以用取地址来检测左值右值

int *p = &x++;  // 错误
int *q = &++x;  // 正确

对于函数get，返回一个全局变量x，x明显是左值，但经过函数返回后变成了一个右值，所以像int *p = &get()会编译失败，原因与x++类似，返回的是x的复制；set虽然传的是右值，但是进入函数被赋值给了形参val变成了左值，对val取地址不会有问题。

int x;

int get() {
  return x;
}

void set(int val) {
  int *p = &val;
  x = val;
}

• 注意：字面值通常是右值，除了字符串字面值

auto p = &"hello world";    // 右值

左值引用和右值引用

在 C++11 中引入了右值引用的概念，它们与左值引用一起提供了更灵活的内存管理和性能优化机制。

• 左值引用（Lvalue References）：通过 & 符号声明的引用，用于绑定到左值。左值引用允许修改所引用对象的值。

• 右值引用（Rvalue References）：通过 && 符号声明的引用，用于绑定到右值。右值引用通常用于移动语义和完美转发，提高了内存利用效率和性能。

左值引用在一定程度上脱离了危险的指针。非常量左值引用只能引用左值，而常量左值引用既可以引用左值也可以引用右值。

int &x1 = 1;        // 错误
const int &x2 = 2;  // 正确

虽然const int &x2 = 2;与const int x2 = 2;在结果上是一样的，但因为前者是引用，所以语句结束后11的生命周期会被延长，而后者语句结束后11会被销毁。这在函数形参列表中有巨大作用，最典型的例子就是复制构造函数和复制赋值运算符函数，通常这两个函数的形参都是一个常量左值引用。

class X {
public:
  X() {}
  X(const X &x) {}
  X& operator = (const X &x) { return *this; }
};

常量左值引用可以绑定右值是非常好的特性，但也存在一个缺点——常量性。一但使用常量左值引用就表示我们无法在函数里修改该对象（强制类型转换除外），所以需要右值引用来完成这项工作。

int i = 0;
int &j = i;   // 左值引用
int &&k = 2;  // 右值引用

如果右值引用k试图引用变量i，则会报错。右值引用的特性之一是延长右值的生命周期

#include <iostream>
using namespace std;
class X {
public:
  X() { cout << "X ctor" << endl; }
  X(const X &x) { cout << "X copy ctor" << endl; }
  ~X() {cout << "X dtor" << endl; }
  void show() { cout << "show X" << endl; }
};
X make_x() {
  X x1;
  return x1;
}
int main() {
  X &&x2 = make_x();
  x2.show();
}

如果X &&x2 = make_x();这句话是X x2 = make_x();，在没有进行优化的情况下会发生3次构造：make_x()中x1会默认构造一次，然后return x1会复制构造产生临时对象，接着X x2 = make_x()会用复制构造将临时对象复制到x2，最后临时对象被销毁。

使用右值引用后的结果为（使用GCC需要加上命令行参数-fno-elide-constructors来关闭函数返回值优化（RVO），具体方法是在CMakeLists.txt中添加set(CMAKE_CXX_FLAGS "-fno-elide-constructors")）

X ctor
X copy ctor
X dtor
show X
X dtor

从结果看只发生了两次构造：第一次是make_x()中x1的默认构造，第二次是return x1的复制构造。由于x2是右值引用，引用对象是make_x()返回的临时对象，所以该临时对象的生命周期得以延长，在语句结束后继续调用show()不会有任何问题。延长临时对象的生命周期并不是右值引用的最终目标，真正的目的是减少对象复制，提升程序性能。