C语言左值和右值的概念区分.doc

C/C+的左值和右值左值性(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(aregionofstorage), 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(temporaryobject)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(modifiablelvalue)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).Ex1.1chara10;/aisanlvaluerepresentinganarrayof10ints.char(*p)10=&a;/&aistheaddressofthearraya.constchar*p=helloworld;/helloworldisanlvalueoftypechar12/inC,typeconstchar12inC+.char(*p)12=&helloworld;structSinta:2;intb:8;structSt;int*p=&t.a;/error.t.aisanlvalueofbitfield.registerinti;int*p=&i;/a,b;int*p=&(a+b);/error.a+bisnotanlvalue.1.2假设expr1是一个指向某对象类型或未完整类型(incompletetype，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expr1expr2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。Ex1.2externstructAa;structA*p2=&a;a是个左值表达式，因而可以进行&运算，然而此时struA仍然没有完整。/InC+externclassAa;A&r=a;/OK.Referstoa,thoughawithanincompletetype.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。constinta2,i;/NOTE:aunintialized.legalinC,illegalinC+.i+;/error,iisanlvalueoftypeconstint.a0-;/error,a0isanlvalueofconstint.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(valueof theexpression)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Ex1.4inti;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:movaddr_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:inti,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。moveax,dwordptraddr_of_i;movebx,dwordptraddr_of_j;addeax,ebx;movdwordptraddr_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。structScharc2;structSf(void);voidg()f().i;f().c1;/(*)f()表达式是个函数调用,该表达式的类型是f的返回类型structS，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-rvalueconversion)。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-rvalueconversion。i+j本身就是右值，这里不需要执行lvalue-to-rvalueconversion，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(classtype)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）Ex1.5voidf(int);voidg()constinti;f(i);/OK.iisanlvalue.Afteranlvalue-to-rvalueconversion,thervaluestypeisint.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。表1：左值表达式（FromCReferenceManual）表达式条件NameName为变量名Ek(e)/括号表达式e为左值e为左值e-name*estringliteral（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，，如果e是左值,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(functioncall)表达式总是右值的。需要特别强调的是stringliteral,前面已经说明它是左值，在C中具有类型charN,而在C+中类型则为constcharN.C中之所以为charN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。Ex1.6charc2;c0;/c0相当于*(+0);然后表达式c从char2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；Ex1.7structScharc2;f(void);voidg()f().c0;f().c0=1;（*）表达式f().c0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，arraytopointerconversion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().c0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modifiablelvalue，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）l 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。Ex1.8inta3=1,2,3;intb3;b=a;/error.bconvertedtoint*(rvalue):*p=a;/arraydegration:aconvertedtoanrvalueofint*sizeof(a);/nodegration.&a;/nodegration.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。2C+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-staticmemberfunction，不是这里指的函数类型, 它不能脱离对象而存在；而staticmemberfunction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registerinti;&i;这种取址运算，事实上要求C+编译器忽略掉registerspecifier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classtype表达式，引用到一个对象；这个对象往往是一个临时对象（temporaryobject）。在C+中，我们可以通过classtype的右值表达式的成员函数来间接修改对象。Ex2.1classAinti,j;public:voidf()i=0;voidg()consti;Afoo1();constAfoo2();A().f();/ok,modifythetemporaryobject.A().g();/ok,refertothetemporaryobject.foo1().f();/ok,modifythetemporaryobject.foo1().g();/ok,refertothetemporaryobject.typedefconstAB;B().f();/error.B()sanrvaluewithconstA,B().g();/ok,refertothetemporaryobject.foo2().f();/error.B()sanrvaluewithconstA,foo2().g();/ok,refertothetemporaryobject需要再次说明的是，C+中的classtype的右值表达式可以具有const/volatile属性，而在C中右值总是cv-unqualified。Ex2.2structAcharc2;conststructAf();在C中，f()的返回值总是一个右值表达式，具有structA类型（const被忽略）。2.2C+中引入了引用类型(referencetype),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）Ex2.3externint&ri;int&f();intg();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。Ex2.4structbase/polymorphictypeinti;virtualf()/donothing;structderived:base;derivedd;baseb;dynamic_cast(d).i=1;/dynamic_castyieldsanlvalueoftypebase.dynamic_cast(d);/yieldsanrvalueoftypebase.static_cast(d).i=1;/(base&)d).i=1;2.4对于memberselection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/functionmember）, 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(datamember)，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。Ex2.5structApublic:staticintsi;staticvoidsf();inti;voidf();int&ri;externAa;Ag();voidtest()void(*pf1)()=&a.sf;/a.sfisanlvalueoffunctiontype,referstoA:sf.void(*pf2)()=&a.f;/error.a.fisnotanlvalueandtypesmismatch.g().ri=1;/ok.g().riisamodifiablelvalue,thoughg()isanrvalue.g().si=1;/ok.ReferstoA:si;g().i=1;/error.g().iisanrvalue.a.i=1;/ok.aisanlvalue.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。Ex2.6inti,j;int&ri=i;int*pi=&(i=1);/ok,i=1isanmodifiablelvaluereferringtoi;+i;/ok.Butmaybeissuesundefinedbehaviorbecauseoftheconstraints /aboutsequencepoints.(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。Ex2.7inti,j;i=j=1;/wellformedinC,maybeundefinedinC+.chararray100;sizeof(0,array);在C中，sizeof(0,array)=sizeof(char*)。而在C+中，sizeof(0,array)=100;2.6typeid表达式总是左值的。2.7C+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qualifiedid。4) 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-rvalueconversion，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。Ex2.8charc100;char(&rarr)100=