C++：左值（引用）右值（引用）

〇、前言

本文会讨论C++中的左值，右值，左值引用，右值引用，以及会理清它们之间的关系。

一、左值与右值

（一）概述

1. 左值是一般指表达式结束后依然存在的持久化对象。右值指表达式结束时就不再存在的临时对象。便捷的判断方法：能对表达式取地址、有名字的对象为左值。反之，不能取地址、匿名的对象为右值。

2. C++ 表达式（运算符带上其操作数、字面量、变量名等）有两种独立的属性：类型和值类别 。类型指变量声明时的类型，而值类别是表达式结果的类型，它必属于左值、纯右值或将亡值三者之一。如int&& x;其中 x 的类型为右值引用，但作为表达式使用时其值类别为左值（因为有名字，可以取址）。比如：

#include <iostream>
void func(int &&b) {
    std::cout << "b: " << b << " addr: " << &b << std::endl;
    b++;
    std::cout << b << std::endl;
}
int main() {
    int c = 10;
    func(std::move(c));
    std::cout << "c: " << c << " addr: " << &c << std::endl;
    return 0;
}

上例中的 b 就是一个右值引用，它接受了一个右值 c。在 main() 中，c 被转化为右值引用传入 func()，因此，func() 中的 b 其实就是 main() 中的 c 别名，它们指向的是同一块内存区域。需要注意的是，func() 中的 b 其实是一个左值，换句话说，右值引用如果绑定了一个右值，它会延长这个右值的生命周期。 这种生命周期的延长意味着，尽管原始表达式产生的值是一个右值，一旦它被一个右值引用所绑定，它就不再是一个"即将销毁的临时值"，而更像是一个普通的变量。 这允许开发者在保证效率的同时，也能够更灵活地控制这些值。

运行结果：

g++ 1.cxx -o main -std=c++14
./main
b: 10 addr: 0x16ba16e28
11
c: 11 addr: 0x16ba16e28

我们需要注意的是，main() 中的 c 被转换成了右值引用，但是它的状态没有发生任何改变。它在 func 中被修改，并在 func 返回后仍然保持有效。std::move 只是告诉编译器一个对象可以被“安全地”当作右值来使用，这样就允许在移动语义上下文中使用该对象。

（二）右值的分类

1. 纯右值(prvalue)：用于识别临时变量和一些不与对象关联的值。函数返回值为非引用类型、表达式临时值(如1+3)、lambda表达式等。

2. 将亡值(xvalue)：是与右值引用相关的表达式，通常指将要被移动的对象。如，函数返回类型为T&&、std::move的返回值、转换为T&&的类型转换函数的返回值（注意，这些都是与右值引用相关的表达式）或临时对象。

表格形式：

类型分类	特征	绑定规则和类型安全转换	实例和特殊情况
左值 (lvalue)	存在变量、函数调用产生的对象，有固定地址。	可绑定到左值引用，例如 `int& x = a;`	变量 `int a = 10;` 函数调用（返回引用）例如 `int& foo();`
纯右值 (prvalue)	不适宜被移动，不具有可识别的地址。	可绑定到右值引用或 const 左值引用，例如 `int&& x = 5;`	字面量例如 `42`，表达式例如 `a + b`，函数调用（返回非引用）例如 `int foo();`
将亡值 (xvalue)	适宜被移动，具有地址但对象即将被销毁。	可绑定到右值引用，例如使用 `std::move` 例如 `int&& x = std::move(a);`	通过 `std::move` 生成的将亡值，例如 `std::move(a)`；使用移动构造函数或移动赋值操作时，传递的实际参数。
泛左值 (glvalue)	概括左值和将亡值，即拥有特定身份（地址）且可能即将被销毁。	可以绑定到左值引用或右值引用，取决于上下文。	例如使用 `decltype` 捕获引用时，`decltype((a)) x = a;` 捕获的是 `a` 的引用。

二、左值引用与右值引用

（一）概述

1. 左值引用和右值引用都属于引用类型。无论是声明一个左值引用还是右值引用都必须立即进行初始化（今天考试刚考到）。

2. 左值引用都是左值。但具名的右值引用是左值，而匿名的右值引用是右值（比如上面的 func 中的 b，虽然它是右值引用，但是它是一个左值）。

（二）可绑定的值类型(设T是个具体类型)

1. 左值引用（T&）：只能绑定到左值（非常量左值）

2. 右值引用（T&&）：只能绑定到右值（非常量右值）

3. 常量左值引用（const T&）：常量左值引用是个“万能”的引用类型：它既可以绑定到左值也可以绑定到右值，它像右值引用一样可以延长右值的生命期。不过相比于右值引用所引用的右值，常量左值引用的右值在它的“余生”中只能是只读的。对于这点，可以参考这个例子：

#include <iostream>
void func(const int &b) {
    std::cout << "b: " << b << " addr: " << &b << std::endl;
    b++; // 会报错
    std::cout << b << std::endl;
}
int main() {
    int c = 10;
    func(std::move(c));
    std::cout << "c: " << c << " addr: " << &c << std::endl;
    return 0;
}

编译出错：

g++ 2.cxx -o main -std=c++14
2.cxx:4:6: error: cannot assign to variable 'b' with const-qualified type 'const int &'
    b++;
    ~^
2.cxx:2:22: note: variable 'b' declared const here
void func(const int &b) {
          ~~~~~~~~~~~^
1 error generated.

4. 常量右值引用(const T&&)：可绑定到右值或常量右值。由于移动语义需要右值可以被修改，因此常量右值引用没有实际用处。如果需要引用右值且让其不可更改，则常量左值引用就足够了。

三、万能引用（universal reference）

（一）T&&的含义

1. 当T是一个具体的类型时，T&& 表示右值引用，只能绑定到右值。

2. 当涉及T类型推导时，T&& 为万能引用。若用右值初始化万能引用，则T&&为右值引用。若用左值初始化万能引用，则T&&为左值引用。但不管哪种情况，T&&都是一种引用类型。

（二）万能引用

1. T&&是万能引用的两个条件：

（1）必须涉及类型推导；

（2）声明的形式也必须正好形如 T&& 。并且该形式被限定死了，任何对其修饰都将剥夺T&&成为万能引用的资格。

2. 万能引用使用的场景

（1）函数模板形参
　　　　
（2）auto&&

一个例子：

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

class Widget {};

void func1(Widget &&param){}; // param为右值引用类型(不涉及类型推导)

template <typename T>
void func2(T &&param) {} // param为万能引用（涉及类型推导）

template <typename T>
void func3(std::vector<T> &&param) {
}

template <typename T>
void func4(const T &&param) {}
template <class T> class MyVector {
  public:
    void push_back(T &&x) {
    } // x为右值引用。因为当定义一个MyVector对象后，T己确定。当调用该函数时T的类型不用再推导！

    template <class... Args>
    void emplace_back(
        Args
            &&...args){}; // args为万能引用，因为Args独立于T的类型，当调用该函数时，需推导Args的类型。
};

int main() {

    Widget w;
    func2(w);            // 万能引用, func2(T&& param)，param为Widget&（左值引用）
    func2(std::move(w)); // 万能引用, param为Widget&&，是个右值引用。


    int x = 0;
    Widget &&var1 = Widget(); // var1为右值引用（不涉及类型推导）
    auto &&var2 = var1; //万能引用，auto&&被推导为Widget&（左值引用）
    auto &&var3 = x; //万能引用，被推导为int&;(左值引用）

    // 3. 计算任意函数的执行时间：auto&&用于lambda表达式形参（C++14）
    auto timefunc = [](auto &&func, auto &&...params) {
        //计时器启动

        //调用func(param...)函数
        std::forward<decltype(func)>(
            func)( //根据func的左右值特性来调用相应的重载&或&&版本的成员函数
            std::forward<decltype(params)>(params)... //保持参数的左/右值特性
        );

        //计时器停止并记录流逝的时间
    };

    timefunc(func1, std::move(w)); //计算func1函数的执行时间

    return 0;
}

在你提供的代码中，main 函数涉及到万能引用的语句如下：

func2(w); 和 func2(std::move(w)); — 这里的 func2 函数模板参数 T&& 是一个万能引用。它可以绑定到左值和右值。在这两个调用中，第一次调用时 T 被推导为 Widget&（因为 w 是一个左值），而第二次调用时 T 被推导为 Widget（因为 std::move(w) 产生一个右值）。
auto &&var2 = var1; — 这里使用了 auto&&，它也是一个万能引用。var1 是一个左值（尽管它本身是一个绑定到临时对象的右值引用），所以 var2 被推导为 Widget&。
auto &&var3 = x; — 这同样使用了 auto&&，这是一个万能引用。由于 x 是一个左值，var3 被推导为 int&。
在 timefunc lambda 表达式的定义中，参数列表 (auto &&func, auto &&...params) 使用了万能引用。这里 auto&& 用于单个参数和参数包，允许这个 lambda 接受任意数量的任意类型的参数，并保持他们的值类别（左值或右值）。