C++11的value category（值类别）以及move semantics（移动语义）

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　　作者：赵宗晟
　　出处：http://www.cnblogs.com/zhao-zongsheng/p/value_categories_and_move_semantics.html

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++的人来说时比较重要的。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，右值引用和移动构造/移动复制等概念，但是对move semantics这个概念的准确定义，还是有很多人比较模糊的。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，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，结合整个句子，甚至要结合前后句理解。

而在C++语言中也是类似的。下面有两个“句子”（语句）：

1. vec = vector<int>();
2. 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。

其实说白了，“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，一个是类型type，另一个就是值类别value category。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：

1. 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；
2. 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：

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

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：

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

分析理解C++标准中值类别的规则

举例来理解的话，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，所以这个对象是由identity的。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，所以是可以动的。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，a是右值，也就是可以移动，那么对于a对象的一部分，m也应当是可以移动的。访问对象的“.”运算符实际上是指针的位移运算，既然要用指针，那么肯定是有地址的。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

不管是静态枚举符实际上是一个数字，成员函数实际上是指向代码段的地址，实际上也是一个数字，而且都是在编译时期就决定了的数字。cpu对这些数字操作时，这些数字是直接放在指令内部的，或者是放在寄存器中，而不会在内存中存在，所以他们是没有identity的。所以这个表达式是prvalue表达式。

C++标准还定义了很多规则，详细规定了哪些表达式是prvalue，哪些是xvalue，哪些又是lvalue。这些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。