C/C++-左值、右值及引用

目录

• 1.左值and右值
• 2.引用
• 3.左值引用的用途
• 4.std::move和std::swap

C和C++中定义了引用类型(reference type)，存在左值引用(lvalue reference)。而在C++11中，新增了右值引用(rvalue reference)这一概念， 虽然个人感觉右值引用用处不大，但在此一并讨论。

1.左值and右值

首先，我们讨论左值和右值两个概念。
左值(lvalue)：一个标识非临时性对象的表达式。通常来说，可以将程序中所有带名字的变量看做左值。
右值(rvalue)：相对的，右值标识是临时性对象的表达式，这类对象没有指定的变量名，都是临时计算生成的。
考虑以下代码：

vector<string> arr(3);
const int x = 2;
int y;
int z = x + y;
string str = "foo";
vector<string> *ptr = &arr;

在上述代码中，arr, str, y, z等都是左值，x也是一个左值，且他不是一个可修改的左值；而类似于2, x+y这类临时(没有专属变量名)的值则是右值。

2.引用

我们可以这样理解引用：一个引用是它所引用对象的同义词，是其另一个变量名。
看这样一段代码：

#inclulde <stdio.h>

int main()
{
    int x = 5;
    int & y = x;
    printf("引用y = %d
", y);
    return 0;
}

运行结果如下：

(1)左值引用
左值引用的声明是通过在某个类型后放置一个符号&来进行的。前文代码中的int & y = x;便是一个左值引用。
需要注意的是，在定义左值引用时，=右边的要求是一个可修改的左值。因此下面几种左值引用都是错误的：

#include <stdio.h>

int main()
{
    const int x = 5;
    int y = 1;
    int z = 1;
    int & tmp1 = x;     // ERROR:x不是一个可修改的左值
    int & tmp2 = 5;     // ERROR:5是一个右值
    int & tmp3 = y + z; // ERROR:y+z是一个右值
    return 0;
}

编译运行，报错如下：

(2)右值引用
类似于左值引用，右值引用便是对右值的引用，它是通过两个&&来声明的。

#include <stdio.h>

int main()
{
    int && x = 5;
    printf("x = %d
", x);
    return 0;
}

运行结果如下：

引用和指针的区别
我们知道，指针是在内存中存放地址的一种变量，cpu能够直接通过而变量名访问唯一对应的内存单元，且每个内存单元的地址都是唯一的。
而变量名和引用，都可以看做内存的一个标签或是标识符，计算机通过是否符合标识符判断是否为目标内存，而一个内存可以有多个标识符

3.左值引用的用途

因为目前右值引用用途不大，故此处仅列举较为常见的左值引用用途
(1)作为复杂名称变量的别名
我们可以写出类似如下的语句：

auto & whichList = theList[myHash(x, theList.size())];

可以看到，我们用简短的whichList代替了其原本复杂的名称，这能够简化我们的代码书写。
(2)用于rangeFor循环
设想我们希望通过rangeFor循环使一个vector对象所有值都增加1，下面的rangeFor循环是做不到的、

for (auto x : arr)   // x仅相当于每个元素的拷贝
    ++x;

但我们可以通过使用引用达到这一目的

for (auto & x : arr)
    ++x;

(3)避免复制大的对象
假定有一个findMax函数，它返回一个vector中最大的元素。若给定vector存储的是某些大的对象时，下述代码中的x拷贝返回的最大值到x的内存中：

auto x = finaMax(vector);

在大型的项目中这显然会增大程序的开销，这时我们可以通过引用来减小这类开销

auto & x = findMax(vector);

类似的，我们在处理函数返回值的时候也可以使用传引用返回。但是要注意，当返回的是类中私有属性时，传回的引用会导致外界能够对其修改。
(4)参与函数中的参数传递
在C和C++的函数中，addSelf(int x)这类函数对直接传入的参数进行修改并不会改变原有参数的值。而有时我们希望能够实现类似swap(int a, int b)这类能够修改原参数的函数时，我们可以通过1.传入指针和2.传入引用实现。
swap函数的实现是一个很好的例子

#include <stdio.h>

void swap_non(int, int);    // 直接传入参数 
void swap_p(int *, int *);  // 传入指针
void swap_r(int &, int &);  // 传入引用

int main()
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    printf("直接传入参数时:
");
    swap_non(a, b);
    printf("a = %d, b = %d
", a, b);
    printf("传入指针时:
");
    swap_p(&a, &b);
    printf("a = %d, b = %d
", a, b);
    printf("传入引用时:
");
    swap_r(a, b);
    printf("a = %d, b = %d
", a, b);
    return 0;
}

void swap_non(int a, int b)
{
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

void swap_p(int * a, int * b)
{
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

void swap_r(int & a, int & b)
{
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

运行结果如下：

可以看到，只有在传入指针和传入引用时变量才真正交换。

对直接传入参数和传入指针仍不理解的可以看这篇博客，在此不再描述。

4.std::move和std::swap

前面我们讨论3.(3)时，谈到可以使用引用来减少复制产生的内存开销。
考虑这样一种情况，在进行元素交换时，我们通常使用一个缓存变量temp来临时保存数据；而对temp直接进行=的赋值操作时，实际上temp复制了一次原有对象的内存，但我们需要只是对象之间的移动而不是复制，而C++STL中的std::move函数便可以达成这一操作。
这可能有些抽象，让我们通过例子来看看：

void swap(vector<string> & x, vector<string> & y)
{
    vector<string> temp = std::move(x);
    x = std::move(y);
    y = std::move(temo);
}

上述例子是C++STL中std::swap的源码之一，相信它很好的示范了std::move是如何使用的，而在源码中使用，也足以说明它的高效。