值類別，以及其參考

本主題介紹和說明 C++ 中存在的各種值類別 (以及值參考)：

• glvalue
• lvalue
• xlvalue
• prvalue
• rvalue

您必定聽說 lvalue 和 rvalue。 但是，您可能不會以本主題所呈現的詞彙來思考它們。

採用 C++ 的每個運算式都會產生一個值，該值屬於上述五個類別其中之一。 C++ 語言有一些層面：其設備和規則，都需要您適當了解這些值類別，以及它們的參考。 這些層面包括取得值的位址、複製值、移動值，以及將值轉送到另一個函式。 本主題不會深入討論上述所有層面，但會提供充分了解它們的基本資訊。

本主題中的資訊是根據 Stroustrup 的值類別分析 (依照身分識別和可移動性的兩個獨立屬性分析) 來構想 [Stroustrup 2013]。

lvalue 具有身分識別

值具有「身分識別」是什麼意思？ 如果您有 (或可取得) 值的記憶體位址並安全地使用，則此值就有身分識別。 如此一來，您不只可以比較值的內容，還可以依照身分識別比較或區分它們。

lvalue 具有身分識別。 現在只關乎歷史價值："lvalue" 中的 "l" 是 "left" 的縮寫 (就像，在指派的左手邊)。 在C++，lvalue 可以出現在指派的左邊「或」右邊。 然後，"lvalue" 中的 "l" 實際上不會幫助您理解或定義其意義。 您只需要了解我們所謂的 lvalue 是具有身分識別的值。

lvalue 的運算式範例包括：具名的變數或常數；或可傳回參考的函式。 「不是」lvalue 的運算式範例包括：暫存項目；或可依照值傳回資料的函式。

int& get_by_ref() { ... }
int get_by_val() { ... }

int main()
{
    std::vector<byte> vec{ 99, 98, 97 };
    std::vector<byte>* addr1{ &vec }; // ok: vec is an lvalue.
    int* addr2{ &get_by_ref() }; // ok: get_by_ref() is an lvalue.

    int* addr3{ &(get_by_ref() + 1) }; // Error: get_by_ref() + 1 is not an lvalue.
    int* addr4{ &get_by_val() }; // Error: get_by_val() is not an lvalue.
}

現在，lvalue 確實有身分識別，xvalue 也是如此。 我們稍後會在本主題中更確切討論什麼是 xvalue。 現在，只要知道有一個名為 glvalue 的值類別即可，其代表「廣義 lvalue」。 glvalue 的集合是 lvalue (也稱為傳統 lvalue) 和 xvalue 的超集。 因此，「lvalue 具有身分識別」是真的，而具有身分識別的完整項目集合就是 glvalue 集合，如下圖所示。

rvalue 可移動；lvalue 不可移動

但有不是 glvalue 的值。 換句話說，有一些您無法取得其記憶體位址 (或您無法依賴它生效) 的值。 我們在上述程式碼範例中看見一些這類值。

沒有可靠的記憶體位址聽起來像是缺點。 但事實上，這類值的優點就是您可以移動 (通常成本低廉)，而不是複製 (通常成本昂貴)。 移動值表示其已不存在於原本的位置。 因此，應避免嘗試在其原本的位置存取。 討論何時及「如何」移動值已超出本主題的範圍。 在本主題中，我們只需要知道可移動的值即為 rvalue (或傳統 rvalue)。

"rvalue" 中的 "r" 是 "right" 的縮寫 (就像，在指派的右手邊)。 但您可以在指派之外使用 rvalue，以及 rvalue 的參考。 然而，"rvalue" 中的 "r" 不是要聚焦的項目。 您只需要了解我們所謂的 rvalue 是可移動的值。

相反地，lvalue 不可移動，如此圖所示。 如果 lvalue 要移動，則這與 lvalue 的定義相矛盾。 對於非常合理預期能夠繼續存取 lvalue 的程式碼而言會是非預期的問題。

因此您無法移動 lvalue。 但有一種您可移動的 glvalue (具有身分識別的項目集合)，如果您知道您正在做什麼 (包括小心不要在移動後存取它)，也就是 xvalue。 當我們稍後於本主題中研究值類別的全貌時，我們將會再次探討這個概念。

Rvalue 參考和參考繫結規則

本節將介紹 rvalue 參考的語法。 我們必須等待另一個主題討論移動和轉送的實質處理方式，但足以說明右值參考是解決這些問題的必要項目。 不過，在我們研究 rvalue 參考之前，我們必須先更清楚了解 T&，我們之前一直稱為「參考」的項目。 它其實是「lvalue (非 const) 參考」，會參照參考的使用者可以寫入其中的值。

template<typename T> T& get_by_lvalue_ref() { ... } // Get by lvalue (non-const) reference.
template<typename T> void set_by_lvalue_ref(T&) { ... } // Set by lvalue (non-const) reference.

lvalue 參考可以繫結至 lvalue，但不可繫結至 rvalue。

而後有 lvalue const 參考 (T const&)，其參照參考的使用者「無法」寫入其中的物件 (例如，常數)。

template<typename T> T const& get_by_lvalue_cref() { ... } // Get by lvalue const reference.
template<typename T> void set_by_lvalue_cref(T const&) { ... } // Set by lvalue const reference.

lvalue const 參考可以繫結至 lvalue 或 rvalue。

類型 T 的 rvalue 參考語法會撰寫為 T&&。 rvalue 參考會參照可移動的值，我們在使用後不需要保留其內容的值 (例如，暫存項目)。 由於重點在於從繫結至 rvalue 參考的值移動 (從而修改)，因此 const 和 volatile 限定詞 (也稱為 cv 限定詞) 不會套用至 rvalue 參考。

template<typename T> T&& get_by_rvalue_ref() { ... } // Get by rvalue reference.
struct A { A(A&& other) { ... } }; // A move constructor takes an rvalue reference.

rvalue 參考會繫結至 rvalue。 事實上，就多載解析而論，rvalue「偏好」繫結至 rvlue 參考 (相較於 lvalue const 參考)。 但是 rvlue 參考無法繫結至 lvalue，因為我們已經說過，rvlue 參考會參照假設我們不需要保留其內容的值 (例如，移動建構函式的參數)。

您也可以透過複製建構 (如果 rvalue 是 xvalue，則透過移動建構)，傳遞預期有 by-value 的 rvalue。

glvalue 具有身分識別；prvalue 則不具備

在這個階段，我們知道何者具有身分識別。 而且我們知道何者可移動，何者不可移動。 但我們尚未命名「沒有」身分識別的值集。 該值集就是所謂的 prvalue或「單純 rvalue」。

int& get_by_ref() { ... }
int get_by_val() { ... }

int main()
{
    int* addr3{ &(get_by_ref() + 1) }; // Error: get_by_ref() + 1 is a prvalue.
    int* addr4{ &get_by_val() }; // Error: get_by_val() is a prvalue.
}

值類別的全貌

仍然只是將上面的資訊與圖解結合成一個大圖片。

glvalue (i)

glvalue (廣義 lvalue) 具有身分識別。 我們將會使用 "i" 作為「具有身分識別」的速記。

lvalue (i&!m)

lvalue (一種 glvalue) 具有身分識別，但不是可移動。 這些通常是您依照參考或依照 const 參考，或依照值 (如果複製成本低廉) 傳遞的讀寫值。 lvalue 無法繫結至 rvalue 參考。

xvalue (i&m)

xvalue (一種 glvalue，但也是一種 rvalue) 具有身分識別，也可移動。 這可能是您先前因為複製成本昂貴而決定要移動的 lvalue，您得小心之後不要存取它。 以下顯示如何將 lvalue 轉換成 xvalue。

struct A { ... };
A a; // a is an lvalue...
static_cast<A&&>(a); // ...but this expression is an xvalue.

在上述程式碼範例中，我們尚未移轉任何項目。 我們僅是將 lvalue 轉換為未具名的 rvalue 參考，而建立了 xvalue。 它仍可依照其 lvalue 名稱識別，但作為 xvalue，現在就「能夠」移動。 移動的原因以及實際的移動情況，就必須等待另一個主題說明。 但您可以將 "xvalue" 中的 "x" 認為是「只有專家才懂」(如果這有幫助的話)。 將 lvalue 轉換為 xvalue (請記得是一種 rvalue)，而後此值就能夠繫結至 rvalue 參考。

以下是 xvalue 的兩個其他範例，呼叫可傳回未具名 rvalue 參考的函式，並存取 xvalue 的成員。

struct A { int m; };
A&& f();
f(); // This expression is an xvalue...
f().m; // ...and so is this.

prvalue (!i&m)

Prvalue (單純；一種 rvalue) 沒有身分識別，但可移動。 這些通常都是暫存項目或呼叫函式 (其可依照值傳回資料) 的結果，或是評估任何其他非 glvalue 運算式的結果。

rvalue (m)

rvalue 是可移動。 我們將會使用 "m" 作為「可移動」的速記。

rvalue「參考」一律會參照 rvalue (假設我們不需要保留其內容的值)。

但是，rvalue 參考本身是 rvalue 嗎？ 「未具名」的 rvalue 參考 (如同上述 xvalue 程式碼範例所示的項目) 是 xvalue，所以它就是 rvalue。 它偏好繫結至 rvalue 參考函式參數，例如移動建構函式的參數。 相反地 (或許反直覺)，如果 rvalue 參考具有名稱，則該名稱所組成的運算式為 lvalue。 因此它「無法」繫結至 rvalue 參考參數。 但這麼做很輕鬆，只要將它再次轉換為未具名的 rvalue 參考 (xvalue)。

void foo(A&) { ... }
void foo(A&&) { ... }
void bar(A&& a) // a is a named rvalue reference; so it's an lvalue.
{
    foo(a); // Calls foo(A&).
    foo(static_cast<A&&>(a)); // Calls foo(A&&).
}
A&& get_by_rvalue_ref() { ... } // This unnamed rvalue reference is an xvalue.

!i&!m

沒有身分識別且不可移動的值類型是我們還沒討論的一個組合。 但我們可以忽略它，因為該類別不是 C++ 語言中的實用概念。

參考摺疊規則

運算式中的多個相似參考 (lvalue 參考對 lvalue 參考，或 rvalue 參考對 rvalue 參考) 會相互抵消。

• A& & 會摺疊成 A&。
• A&& && 會摺疊成 A&&。

運算式中的多個相異參考會摺疊成 lvalue 參考。

• A& && 會摺疊成 A&。
• A&& & 會摺疊成 A&。

轉送參考

最後這一節會對比 rvalue 參考 (我們已經討論過) 與「轉送參考」的不同概念。 在創造「轉送參考」一詞之前，一些人士使用了「通用參考」一詞。

void foo(A&& a) { ... }

• 如我們所見，A&& 是 rvalue 參考。 Const 和 volatile 不適用於 rvalue 參考。
• foo 只接受類型 A 的 rvalue。
• rvalue 參考 (例如 A&&) 存在的原因，是方便您撰寫針對傳遞暫存項目 (或其他 rvalue) 的情況最佳化的多載。

template <typename _Ty> void bar(_Ty&& ty) { ... }

• _Ty&& 是「轉送參考」。 根據您傳遞至 bar 的項目，類型 _Ty 可能是與 volatile/非 volatile 無關的 const/非 const。
• bar 接受任何類型 _Ty 的 lvalue 或 rvalue。
• 傳遞 lvalue 會導致轉送參考變成 _Ty& &&，這會摺疊成 lvalue 參考_Ty&。
• 傳遞 rvalue 會導致轉送參考變成 rvalue 參考 _Ty&&。
• 轉送參考 (例如 _Ty&&) 存在的原因「不是」為了最佳化，而是為了取得您傳遞給它們的項目，以及透明且有效地進行轉送。 只有撰寫 (或仔細研究) 程式庫程式碼，才可能遇到轉送參考，例如，在建構函式引數上轉送的 factory 函式。

來源

• [Stroustrup, 2013] B. Stroustrup: The C++ Programming Language, Fourth Edition. Addison-Wesley. 2013.