C++11中value category（值类别）及move semantics（移动语义）的介绍

前言

C++11之前value categories只有两类，lvalue和rvalue，在C++11之后出现了新的value categories，即prvalue, glvalue, xvalue。不理解value categories可能会让我们遇到一些坑时不知怎么去修改，所以理解value categories对于写C++的人来说是比较重要的。而理解value categories离不开一个概念――move semantics。了解C++11的人我相信都了解了std::move，右值引用，移动构造/移动复制等概念，但是对move semantics这个概念的准确定义，可能还有很多人比较模糊。我想通过这篇文章谈一谈我对value categories和move semantics的理解。首先从move semantics开始。

什么是move semantics（移动语义）？

semantics是来自语言学的一个概念，翻译成中文就是“语义”。说到计算机语言，可能有很多人认为他是计算机科学下面的子门类。实际上他是计算机科学和语言学的交叉科目，里面有很多概念都来自语言学的内容，甚至也有语言学科班的学生之后去做编译的研究/工作。所以我们先从自然语言入手，通过类比能够更好地理解move semantics。下面有两个句子：

1. 他是饭桶。
2. 这是饭桶。

这两句话里面都有“饭桶”这个词，但是两个句子中“饭桶”意思却不一样。从语法上来看，这俩都是“<代词>是饭桶”的形式，只有代词不一样，但句子意思却完全不一样了。句子1的意思是骂一个人很没用，句子2的意思是说明这个物体是盛饭的桶。这个例子说明，要理解一个单词的意思（例如“饭桶”）是要结合句中其他单词，以及整个句子的。

在C++语言中也是类似的。下面有两个“句子”（语句）：

• vec = vector<int>();
• vec = another_vec;

其中，vec和another_vec都是vector<int>类型的变量。

这两个语句都是“vec = XXXX;”的形式，但是语句1是把XXXX移动到变量vec，语句2是把XXXX拷贝给vec。两个语句中都有“=”运算符，但是语句1中的意思是“移动到”，语句2中的意思是“拷贝给”。所以“=”运算符和整个句子的意思是由XXXX的类型决定的。我们可以说语句1有移动的意思，语句2有拷贝的意思，或者说，语句1中的“=”是移动的意思，语句2中的“=”是拷贝的意思。更正式地说，语句1呈现了移动语义，语句2呈现了拷贝语义，语句1中的“=”呈现了移动语义，语句2中的“=”呈现了拷贝语义。用英文说则是，statement 1 displayed move semantics; statement 2 displayed copy semantics; operator= in statement 1 displayed move semantics; operator= in statement 2 displayed copy semantics。

其实“移动语义”翻译成白话就是“移动的意思”。

怎么理解5种value categories（值类别）？

C++中的每个表达式都有两种属性，一个是type（类型），另一个就是value category（值类别）。每个表达式的值类别一定属于且仅属于prvalue (pure rvalue), xvalue, lvalue三种中的一种。prvalue和xvalue统称为rvalue，xvalue和lvalue统称为glvalue (generalized lvalue)，如下图所示：

 

那么，prvalue，xvalue和lvalue是怎么定义的？

其实所有表达式都有以下两种属性：

• 是否有identity（同一性，或者说“有身份”）：是否可以与另一个表达式或对象比较，判断是否是同一个实体。比如，如果有地址，可以比较他们的地址相同；
• 是否可以移动：如果出现在赋值，初始化等语句中，是否会使语句呈现移动语义。

于是有：

• 有identity，也可以移动的表达式为xvalue表达式；
• 有identity，但不能移动的表达式为lvalue表达式；
• 没有identity，但是可以移动的表达式为prvalue表达式；

至于没有identity，也不可以移动的表达式，在实际应用中不存在这样的表达式，也没必要有这样的表达式。

对于另外两种值类别，我们可以这么总结：

• 有identity的表达式，值类别为glvalue；
• 可以移动的表达式，值类别为rvalue。

分析理解C++标准中决定值类别的规则

C++标准给出了一系列规则，来规定哪些表达式有哪种值类别。我们可以结合上面给出的值类别定义去理解这些规则。举个例子，对于xvalue表达式，有这样的规则：

如果一个表达式是函数调用或重载运算符表达式，且其返回类型为右值引用，例如 std::move(x)，那么这个表达式是xvalue表达式

对于这个规则，我们可以这么理解：首先，如果要返回一个对象，肯定是要在栈上面预留内存空间的，所以这个对象是有identity的。第二，返回类型是右值引用，所以它会让使用这个表达式的语句呈现移动语义，所以是可移动的。因此，这个表达式是xvalue表达式。

对于xvalue还有这样的规则

对象成员表达式，即"a.m"，如果 a 是右值且 m 是非引用类型的非静态数据成员，则这个表达式是xvalue表达式

这条规则可以这么理解：首先，a是右值，也就是可以移动，那么作为a对象的一部分，m也应当是可以移动的。第二，访问对象的“.”运算符实际上是计算地址偏移，既然有地址，那么肯定是有identity的。因此，这个表达式是xvalue表达式。

再比如：

对象成员表达式，即"a.m"，如果 m 是成员枚举符或非静态成员函数，则这个表达式是prvalue表达式

枚举符在编译后其实就是一个数字；成员函数在编译后实际上是指向代码段的地址，实际上也是一个数字。这两个数字都是在编译时期就决定了的数字。cpu使用这些数字时，这些数字是直接放在指令内部或者是放在寄存器中的，不会放在内存中，所以他们是没有identity的。其实换个角度想，因为他们只是一个值，不是变量，所以没有identity也是很合理的。因此，这个表达式是prvalue表达式。

C++标准还定义了很多这样的规则，都可以用类似的方法分析并理解，而不需要去死记硬背。

总结