C++11的value category（值類別）以及move semantics（移動語意）

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　　趙宗晟
　　出處：http://www.cnblogs.com/zhao-zongsheng/p/value_categories_and_move_semantics.html

C++11之前value categories只有兩類，lvalue和rvalue，在C++11之後出現了新的value categories，即prvalue, glvalue, xvalue。不理解value categories可能會讓我們遇到一些坑時不知怎麼去修改，所以理解value categories對於寫C++的人來說時比較重要的。而理解value categories離不開一個概念——move semantics。瞭解C++11的人我相信都瞭解了std::move，右值引用和移動構造/移動複製等概念，但是對move semantics這個概念的準確定義，還是有很多人比較模糊的。我想通過這篇文章談一談我對value categories和move semantics的理解。首先從move semantics開始。

什麼是move semantics（移動語意）？

semantics是來自語言學的一個概念，翻譯成中文就是“語義”。說到電腦語言，可能有很多人認為他是電腦科學下面的子門類。實際上他是電腦科學和語言學的交叉科目，裡面有很多概念都來自語言學的內容，也有語言學科班的學生之後去做編譯的研究/工作。所以我們先從自然語言入手，通過類比能夠更好地理解move semantics。下面有兩個句子：

1. 他是飯桶。
2. 這是飯桶。

這兩句話裡面都有“飯桶”這個詞，但是兩個句子中“飯桶”意思卻不一樣。從文法上來看，這倆都是“<代詞>是飯桶”的形式，只有代詞不一樣，但句子意思卻完全不一樣了。句子1的意思是罵一個人很沒用，句子2的意思是說明這個物體是盛飯的桶。這個例子說明，要理解一個單詞的意思（例如“飯桶”）是要結合句中其他單詞，結合整個句子，甚至要結合前後句理解。

而在C++語言中也是類似的。下面有兩個“句子”（語句）：

1. vec = vector<int>();
2. vec = another_vec;

其中，vec和another_vec都是vector<int>類型的變數。

這兩個語句都是“vec = XXXX;”的形式，但是語句1是把XXXX移動到變數vec，語句2是把XXXX拷貝給vec。兩個語句中都有“=”運算子，但是語句1中的意思是“移動到”，語句2中的意思是“拷貝給”。所以“=”運算子和整個句子的意思是由XXXX的類型決定的。我們可以說語句1有移動的意思，語句2有拷貝的意思，或者說，語句1中的“=”是移動的意思，語句2中的“=”是拷貝的意思。更正式地說，語句1呈現了移動語意，語句2呈現了拷貝語義，語句1中的“=”呈現了移動語意，語句2中的“=”呈現了拷貝語義。用英文說則是，statement 1 displayed move semantics; statement 2 displayed copy semantics; operator= in statement 1 displayed move semantics; operator= in statement 2 displayed copy semantics。

其實說白了，“移動語意”翻譯成白話就是“移動的意思”。

怎麼理解5種value categories（值類別）？

 C++中的每個運算式都有兩種屬性，一個是類型type，另一個就是值類別value category。每個運算式的值類別一定屬於且僅屬於prvalue (pure rvalue), xvalue, lvalue三種中的一種。prvalue和xvalue統稱為rvalue，xvalue和lvalue統稱為glvalue (generalized lvalue)，如所示：

那麼，prvalue，xvalue和lvalue是怎麼定義的？

其實所有運算式都有以下兩種屬性：

1. 是否有identity（同一性，或者說“有身份”）：是否可以與另一個運算式或對象比較，判斷是否是同一個實體。比如，如果有地址，可以比較他們的地址相同；
2. 是否可以移動：如果出現在賦值，初始化等語句中，是否會使語句呈現移動語意。

於是有：

1. 有identity，也可以移動的運算式為xvalue；
2. 有identity，但不能移動的運算式為lvalue；
3. 沒有identity，但是可以移動的運算式為prvalue；

至於沒有identity，也不可以移動的運算式，在實際應用中不存在這樣的運算式，也沒必要有這樣的運算式。

對於另外兩種值類別，我們可以這麼總結：

1. 有identity的運算式，值類別為glvalue；
2. 可以移動的運算式，值類別為rvalue。

分析理解C++標準中值類別的規則

舉例來理解的話，對於xvalue運算式，有這樣的規則：

如果一個運算式是函數調用或重載運算子運算式，且其傳回型別為右值引用，例如 std::move(x)，那麼這個運算式是xvalue運算式

對於這個規則，我們可以這麼理解。首先返回一個對象，肯定是要在棧上面預留記憶體空間的，所以這個對象是由identity的。傳回型別是右值引用，所以它會讓使用這個運算式的語句呈現移動語意，所以是可以動的。因此，這個運算式是xvalue運算式。

對於xvalue還有這樣的規則

對象成員運算式，即"a.m"，如果 a 是右值且 m 是非參考型別的非待用資料成員，則這個運算式是xvalue運算式

這條規則可以這麼理解，a是右值，也就是可以移動，那麼對於a對象的一部分，m也應當是可以移動的。訪問對象的“.”運算子實際上是指標的位移運算，既然要用指標，那麼肯定是有地址的。因此，這個運算式是xvalue運算式。

再比如：

對象成員運算式，即"a.m"，如果 m 是成員枚舉符或非靜態成員函數，則這個運算式是prvalue運算式

不管是靜態枚舉符實際上是一個數字，成員函數實際上是指向程式碼片段的地址，實際上也是一個數字，而且都是在編譯時間期就決定了的數字。cpu對這些數字操作時，這些數字是直接放在指令內部的，或者是放在寄存器中，而不會在記憶體中存在，所以他們是沒有identity的。所以這個運算式是prvalue運算式。

C++標準還定義了很多規則，詳細規定了哪些運算式是prvalue，哪些是xvalue，哪些又是lvalue。這些規則都可以用類似的方法分析並理解，而不需要去死記硬背。

 

C++11的value category（值類別）以及move semantics（移動語意）