c/c++ 左值性

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;
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2008-4-25 21:16

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2楼       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

2008-4-25 21:16

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3楼 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。

2008-4-25 21:16

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4楼 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。  Ex2.1  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(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;

2008-4-25 21:17

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5楼 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。