值类别

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值类别

值类别是 C++ 中一个非常重要的概念，虽然在算法竞赛中可能用处不大，但了解它可以帮助我们发现并避免不必要的复制，从而提高代码的效率和性能．

值类别的概念在 C 语言、C++98、C++11 和 C++17 中经历了多次发展，逐渐成为一个较为复杂的概念．

不必要的复制

我们考虑将字符串塞入 vector 这一过程：

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可以发现字符串在转移的过程中，在 `str` 和 `vec` 中各保存了一份，内存占用加倍．

如果非要省下这一部分的内存，我们可以实现一个简陋的移动操作：自定义 `MyString` 结构体，内有一指针指向我们的字符串，即我们只需要把指针复制过去，并小心地清理原对象的指针，防止被错误析构．

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由于这种高效转移对象的需求较为常见，且与 C++ 的构造、析构等操作交互困难，C++11 将移动语义引入了语言核心．

C 语言中的值类别

在 C 语言标准中，对象是一个比变量更为一般化的概念，它指代一块内存区域，具有内存地址．对象的主要属性包括：大小、有效类型、值和标识符．标识符即变量名，值是该内存以其类型解释时的含义．例如，int 和 float 类型虽然都占用 4 字节，但对于同一块内存，我们会解释出不同的含义．

C 语言中每个表达式都具有类型和值类别．值类别主要分为三类：

  • 左值（lvalue）：隐含指代一个对象的表达式．即我们可以对该表达式取地址．
  • 右值（rvalue）：不指代对象的表达式，即指代没有存储位置的值，我们无法取该值的地址．
  • 函数指代符：函数类型的表达式．

因此，只有可修改的左值（没有 const 修饰且非数组的左值）可以位于赋值表达式左侧．

对于某个要求右值作为它的操作数的运算符，每当左值被用作操作数，都会对该表达式应用左值到右值，数组到指针，或者函数到指针标准转换以将它转换成右值．

常见误区：

  • 右值表达式继续运算可能是左值．例如 int a，表达式 a + 1 是右值，但 (a + 1) 是左值．
  • 表达式才有值类别，变量没有．例如 int *a，不能说变量 a 是左值，可以说其在表达式 a 中做左值．

C++98 中的值类别

C++98 在值类别方面与 C 语言几乎一致，但增加了一些新的规则：

  • 函数为左值，因为可以取地址．
  • 左值引用（T&）是左值，因为可以取地址．
  • 仅有 const T& 可绑定到右值．

复制消除

C++ 允许编译器执行复制消除（Copy Elision），可以减少临时对象的创建和销毁．

例如下面的代码，就触发了复制消除中的返回值优化（Return Value Optimization，RVO），你只会看到一次构造和一次复制构造，即便构造与析构有副作用．

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## C++11 中的值类别

C++11 引入了移动语义和右值引用（`T&&`），包括移动构造、移动赋值函数．这给了我们利用临时对象的方法．

我们上面的 `move_to` 可以改写如下：

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我们现在关注的表达式特性增加了一点：

  • 是否具有身份：是否指代一个对象，即是否有地址．
  • 是否可被移动：是否具有移动构造、移动赋值等函数，让我们有办法利用这些临时对象．

因此我们有三种值类别：

  • 有身份，不可移动：左值（lvalue）．
  • 有身份，可被移动：亡值（xvalue）．
  • 无身份，可被移动：纯右值（prvalue）．
  • 无身份，不可移动：此类表达式无法使用．

另外 C++11 还引入了两个复合类别：

  • 具有身份：泛左值（glvalue），即左值和亡值．
  • 可被移动：右值（rvalue），即纯右值和亡值．

std::move

为了配合移动语义，C++11 还引入了一个工具函数 std::move，其作用是将左值强制转换为右值，以便触发移动语义．

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因此我们只需将 `push_back(str)` 改为 `push_back(std::move(str))` 即可避免复制．

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由于 std::string 有小对象优化（Small String Optimization，SSO），短字符串直接存储于结构体内，你可能得输入较长的字符串才能观察到 data 指针的不变性．

C++17 中的值类别

C++17 进一步简化了值类别：

  • 左值（lvalue）：有身份，不可移动．
  • 亡值（xvalue）：有身份，可以移动．
  • 纯右值（prvalue）：对象的初始化．

C++11 将复制消除扩展到了移动上，下面的代码中 urvo 在编译器启用 RVO 的情况下是没有移动的．

C++17 要求纯右值非必须不实质化，直接构造到其最终目标的存储中，在构造之前对象尚不存在．因此在 C++17 中我们就没有返回这一步，也就不必依赖 RVO．也可以理解为强制了 URVO（Unnamed RVO），但对于 NRVO（Named RVO）还是非强制的．

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同时 C++17 引入了临时量实质化的机制，当我们需要访问成员变量、调用成员函数等需要泛左值的情形时，可以隐式转换为亡值．

### 常见误区

下面的例子中：

  * 在 `f1` 中返回 `std::move(x)` 是多余的，并不会带来性能上的提升，反而会干扰编译器进行 NRVO 优化．
  * 在 `f2` 中返回 `std::move(x)` 是危险的，函数返回右值引用指向了已被销毁的局部变量 `s`，出现了悬空引用问题．

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参考文献与推荐阅读

  1. Value categories
  2. Wording for guaranteed copy elision through simplified value categories
  3. C++ 中的值类别
  4. C++ 的右值引用、移动和值类别系统，你所需要的一切
  5. Copy elision
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