C/C++的左值和右值

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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).

Ex1.1
  char 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）
Ex1.5  
void 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*((c)+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emporary 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。 

Ex2.1  
class 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。
Ex2.2  
struct 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）
Ex2.3  
extern 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。
Ex2.4  
struct base{ //polymorphic type
int i;
virtual f() { }// do nothing;
};

struct derived: base {
};

derived d;
base b;
dynamic_cast<base&>(d).i=1; // dynamic_cast yields an lvalue of type base.
dynamic_cast<base>(d); //yields an rvalue of type base.
static_cast<base&>(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。
Ex2.7     
    int 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。
Ex2.8        
   char 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 f
   void (*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, statically
typeid(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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