Понимание lvalue и rvalue в C и С++03.02.2018 12:03

habr.png

Eli Bendersky, Understanding of lvalues and rvalues in C and C++ (https://eli.thegreenplace.net/2011/12/15/understanding-lvalues-and-rvalues-in-c-and-c)

От переводчика: предлагаю Вашему вниманию перевод интересной статьи об lvalue и rvalue в языках C/C++. Тема не нова, но знать об этих понятиях никогда не поздно. Статья рассчитана на новичков, либо на программистов переходящих с C (или других языков) на C++. Поэтому будьте готовы к подробному разжёвыванию. Если вам интересно, добро пожаловать под кат

Термины lvalue и rvalue не являются чем-то таким, с чем часто приходится сталкиваться при программировании на C/C++, а при встрече не сразу становится ясным, что именно они означают. Наиболее вероятное место столкнуться с ними — это сообщения компилятора. Например, при компиляции следующего кода компилятором gcc: 

int foo() { return 2; }
int main()
{
    foo() = 2;
    return 0;
}


Вы уведите нечто следующее: 

test.c: In function 'main':
test.c:8:5: error: lvalue required as left operand of assignment


Согласен, что этот код немного надуманный, и вряд ли Вы будете писать нечто подобное, однако сообщение об ошибке упоминает lvalue — термин, который не так часто увидишь в туториалах по C/C++. Другой пример нагляден при компиляции следующего кода при помощи g++: 

int& foo()
{
    return 2;
}


Вы увидите следующую ошибку: 

testcpp.cpp: In function 'int& foo()':
testcpp.cpp:5:12: error: invalid initialization of non-const reference
of type 'int&' from an rvalue of type 'int'


Опять же, в сообщение об ошибке упоминается мистическое rvalue. Что же в C и C++ понимается под lvalue и rvalue? Это и есть тема данной статьи.

Простое определение


Для начала нарочито дадим определения lvalue и rvalue в упрощённой форме. В дальнейшем эти понятия будут рассмотрены под увеличительным стеклом.

lvalue (locator value) представляет собой объект, который занимает идентифицируемое место в памяти (например, имеет адрес).

rvalue определено путём исключения, говоря, что любое выражение является либо lvalue, либо rvalue. Таким образом из определения lvalue следует, что rvalue — это выражение, которое не представляет собой объект, который занимает идентифицируемое место в памяти.

Элементарные примеры


Термины, определённые выше, могут показаться немного нечёткими. Поэтому стоит сразу рассмотреть несколько простых поясняющих примеров. Предположим, мы имеем дело с переменной целого типа: 

int var;
var = 4;


Оператор присваивания ожидает lvalue с левой стороны, и var является lvalue, потому что это объект с идентифицируемым местом в памяти. С другой стороны, следующие заклинания приведут к ошибкам: 

4 = var;       // ERROR!
(var + 1) = 4; // ERROR!


Ни константа 4, ни выражение var + 1 не являются lvalue
(что автоматически их делает rvalue). Они не lvalue, потому что оба являются временным результатом выражений, которые не имеют определённого места в памяти (то есть они могут находится в каких-нибудь временных регистрах на время вычислений). Таким образом, присваивание в данном случае не несёт в себе никакого семантического смысла. Иными словами — некуда присваивать.

Теперь должно быть понятно, что означает сообщение об ошибке в первом фрагменте кода. foo возвращает временное значение, которое является rvalue. Попытка присваивания является ошибкой. То есть, видя код foo() = 2;, компилятор сообщает, что ожидает lvalue с левой стороны оператора присваивания.

Однако, не все присваивания результату вызова функции ошибочны. Например, использование ссылок в C++ делает это возможным: 

int globalvar = 20;

int& foo()
{
    return globalvar;
}

int main()
{
    foo() = 10;
    return 0;
}


Здесь foo возвращает ссылку, которая является lvalue, то есть ей можно придать значение. Вообще, в C++ возможность возвращать lvalue, как результат вызова функции, существенна для реализации некоторых перегруженных операторов. Как пример приведём перегрузку оператора [] в классах, которые реализуют доступ по результатам поиска. Например std::map: 

std::map mymap;
mymap[10] = 5.6;


Присваивание mymap[10] работает, потому что неконстантная перегрузка std::map::operator[] возвращает ссылку, которой может быть присвоено значение.

Изменяемые lvalue


Изначально, когда понятие lvalue было введено в C, оно буквально означало «выражение, применимое с левой стороны оператора присваивания». Однако позже, когда ISO C добавило ключевое слово const, это определение нужно было доработать. Действительно: 

const int a = 10; // 'a' - lvalue
a = 10;           // но ему не может быть присвоено значение!


Таким образом не всем lvalue можно присвоить значение. Те, которым можно, называются изменяемые lvalue (modifiable lvalues). Формально C99 стандарт определяет изменяемые lvalue как:

[…] lvalue, тип которого не является массивом, не является неполным, не имеет спецификатор const, не является структурой или объединением, содержащими поля (также включая поля, рекурсивно вложенные в содержащиеся агрегаты и объединения) со спецификатором const.


Преобразования между lvalue и rvalue


Образно говоря, конструкции языка, оперирующие значениями объектов, требуют rvalue в качестве аргументов. Например, бинарный оператор '+' принимает два rvalue в качестве аргументов и возвращает также rvalue: 

int a = 1;        // a - lvalue
int b = 2;        // b - lvalue
int c = a + b;    // '+' требует rvalue, поэтому a и b конвертируются в rvalue 
                  // и rvalue возвращается в качестве результата


Как мы уже видели раньше, a и b оба lvalue. Поэтому в третьей строке они подвергаются неявному преобразованию lvalue-в-rvalue. Все lvalue, которые не являются массивом, функцией и не имеют неполный тип, могут быть преобразованы в rvalue.

Что насчёт преобразования в другую сторону? Можно ли преобразовать rvalue в lvalue? Конечно нет! Это бы нарушило суть lvalue, согласно его определению (Отсутствие неявного преобразования означает, что rvalue не могут быть использованы там, где ожидается lvalue).

Это не означает, что lvalue не могут быть получены из rvalue явным способом. Например, унарный оператор '*' (разыменование) принимает rvalue в качестве аргумента, но возвращает lvalue в качестве результата. Рассмотрим следующий верный код: 

int arr[] = {1, 2};
int* p = &arr[0];
*(p + 1) = 10;   // OK: p + 1 rvalue, однако *(p + 1) уже lvalue


Обратно, унарный оператор '&' (адрес) принимает lvalue как аргумент и производит rvalue: 

int var = 10;
int* bad_addr = &(var + 1);  // ОШИБКА: требуется lvalue для унарного оператора '&'
int* addr = &var;            // ОК: var - lvalue
&var = 40;                   // ОШИБКА: требуется lvalue с левой стороны
                             //         оператора присваивания


Оператор »&» играет несколько другую роль в C++ — он позволяет определить ссылочный тип. Его называют «ссылкой на lvalue». Неконстантной ссылке на lvalue не может быть присвоено rvalue, так как это потребовало бы неверное rvalue-в-lvalue преобразование: 

std::string& sref = std::string();  // ОШИБКА: неверная инициализация             
                                    // неконстантной ссылки типа 'std::string&'
                                    // rvalue типа 'std::string'


Константным ссылкам на lvalue можно присвоить rvalue. Так как они константы, значение не может быть изменено по ссылке и поэтому проблема модификации rvalue просто отсутствует. Это свойство делает возможным одну из основополагающих идиом C++ — допуск значений по константной ссылке в качестве аргументов функций, что позволяет избежать необязательного копирования и создания временных объектов.

CV-специфицированные rvalues


Если прочесть внимательно часть С++ стандарта, касающуюся преобразования lvalue-в-rvalue (глава 4.1 в драфте стандарта C++11), то можно увидеть следующее:

lvalue (3.10) на тип T, не являющимся функциональным, или массивом, может быть преобразован в rvalue. […] Если T не класс, типом rvalue является cv-неспецифицированная версия типа T. Иначе, типом rvalue является T.


Так что же значит «cv-неспецифицированный»? CV-спецификатор — это термин, используемый для описания const и volatile спецификаторов типа.

Из главы 3.9.3:

Каждый тип, который является cv-неспецифицированным полным или неполным объектным типом или типом void (3.9), имеет соответственно три cv-специфицированные версии: тип со спецификатором const, тип со спецификатором volatile и тип со спецификаторами const volatile. […] CV-специфицированные и cv-неспецифицированные типы являются различными, однако они имеют одинаковое представление и требования по выравниванию.


Но как всё это связано с rvalue? В языке C rvalue никогда не имеют cv-специфицированных типов. Это свойство lvalue. Однако в C++ классовые rvalue могут быть cv-специфицированным, что не касается встроенных типов вроде int. Рассмотрим пример: 

#include 

class A {
public:
    void foo() const { std::cout << "A::foo() const\n"; }
    void foo() { std::cout << "A::foo()\n"; }
};

A bar() { return A(); }
const A cbar() { return A(); }


int main()
{
    bar().foo();  // вызовет foo
    cbar().foo(); // вызовет foo const
}


Вторая строчка в функции main вызовет метод foo() const, так как cbar возвращает объект типа const A, который отличен от A. Это как раз то, что имелось в виду в последнем предложении выдержки из стандарта выше. Кстати, заметьте, что возвращаемое cbar значение является rvalue. Это был пример cv-специфицированных rvalue в действии.

Ссылки на rvalue (C++11)


Ссылки на rvalue и сопутствующий концепт семантики переноса являются одним из наиболее мощным инструментом, добавленным в язык C++11. Подробная дискуссия на эту тему выходит за рамки этой скромной статьи (вы можете найти кучу материала, просто погуглив «rvalue references». Вот некоторые ресурсы, которые я нахожу полезными: этот, этот и особенно вот этот), но всё же я хотел бы привести простой пример, потому что считаю, что данная глава является наиболее подходящим место, чтобы продемонстрировать как понимание lvalue и rvalue расширяет наши возможности рассуждать о нетривиальных концепциях языка.

Добрая половина статьи была потрачена на объяснение того, что одним из самых главных различий между lvalue и rvalue является тот факт, что lvalue можно изменять, в то время как rvalue — нет. Что же, C++11 добавляет одну важнейшую характерную особенность в этом различии, разрешая нам иметь ссылки на rvalue и тем самым изменять их в некоторых случаях.

Как пример рассмотрим наипростейшую реализацию динамического массива целых чисел. Давайте посмотрим лишь на методы относящиесе к теме данной главы: 

class Intvec
{
public:
    explicit Intvec(size_t num = 0)
        : m_size(num), m_data(new int[m_size])
    {
        log("constructor");
    }

    ~Intvec()
    {
        log("destructor");
        if (m_data) {
            delete[] m_data;
            m_data = 0;
        }
    }

    Intvec(const Intvec& other)
        : m_size(other.m_size), m_data(new int[m_size])
    {
        log("copy constructor");
        for (size_t i = 0; i < m_size; ++i)
            m_data[i] = other.m_data[i];
    }

    Intvec& operator=(const Intvec& other)
    {
        log("copy assignment operator");
        Intvec tmp(other);
        std::swap(m_size, tmp.m_size);
        std::swap(m_data, tmp.m_data);
        return *this;
    }
private:
    void log(const char* msg)
    {
        cout << "[" << this << "] " << msg << "\n";
    }

    size_t m_size;
    int* m_data;
};


Итак, здесь присутствуют обычные конструктор и деструктор, конструктор копирования и оператор присваивания (это каноническая реализация копирующего оператора присваивания с точки зрения усточивости к исключениям. Используя конструктор копирования и затем не выбрасывающий исключения std::swap, мы можем быть уверены, что не может возникнуть промежуточного состояния с непроинициализированной памятью, если где-то произойдёт исключение). Все они используют функцию логирования, чтобы мы могли понять, когда они на самом деле вызваны.

Давайте запустим простой код, который копирует содержимое v1 в v2: 

Intvec v1(20);
Intvec v2;

cout << "assigning lvalue...\n";
v2 = v1;
cout << "ended assigning lvalue...\n";


И вот, что мы увидим: 

assigning lvalue...
[0x28fef8] copy assignment operator
[0x28fec8] copy constructor
[0x28fec8] destructor
ended assigning lvalue...


Что совершенно логично, так как это точно отражает, что происходит внутри оператора присваивания. Но давайте предположим, что мы хотим присвоить v2 некоторое rvalue: 

cout << "assigning rvalue...\n";
v2 = Intvec(33);
cout << "ended assigning rvalue...\n";


Хотя здесь я только присваиваю значение свеже созданному вектору, это является одной из демонстраций общего случая, когда некоторое временное rvalue создаётся и присваивается v2 (это может случится например, если функция возвращает вектор). Вот что мы увидим на экране: 

assigning rvalue...
[0x28ff08] constructor
[0x28fef8] copy assignment operator
[0x28fec8] copy constructor
[0x28fec8] destructor
[0x28ff08] destructor
ended assigning rvalue...


Ого! Выглядит очень хлопотно. В частности, здесь потребовалась дополнительная пара вызовов конструктора с деструктором, чтобы создать, а потом удалить временный объект. И это печально, так как внутри копирующего оператора присваивания другой временный объект создаётся и удаляется. Дополнительная работа за зря.

Но, нет! C++11 даёт нам ссылки на rvalue, с помощью которых можно реализовать «семантику переноса», а в частности «переносящий оператор присваивания» (теперь понятно почему я всё время называл operator= копирующим оператором присваивания. В C++11 эта разница становится важной). Давайте добавим другой operator= в IntVec: 

Intvec& operator=(Intvec&& other)
{
    log("move assignment operator");
    std::swap(m_size, other.m_size);
    std::swap(m_data, other.m_data);
    return *this;
}


Двойной асперсанд — это ссылка на rvalue. Он означает как раз то, что и обещает — даёт ссылку на rvalue, который будет уничтожен после вызова. Мы можем использовать этот факт, чтобы просто «стащить» внутренности rvalue — они ему всё равно не нужны! Вот, что выведется на экран: 

assigning rvalue...
[0x28ff08] constructor
[0x28fef8] move assignment operator
[0x28ff08] destructor
ended assigning rvalue...


Как мы видим, вызывается новый переносящий оператор присваивания, так как rvalue присваивается v2. Вызовы конструктора и деструктора всё же необходимы для временного объекта, который создаётся через Intvec(33). Однако другой временный объект внутри оператора присваивания больше не нужен. Оператор просто меняет внутренний буфер rvalue со своим, и таким образом деструктор rvalue удаляет буфер самого объекта, который больше не будет использоваться. Чисто!

Хочу только отметить ещё раз, что этот пример только вершина айсберга семантики переноса и ссылок на rvalue. Как вы можете догадаться, это сложная тема с множеством частных случаев и загадок. Я пытался лишь продемонстрировать очень интересное применение различий между lvalue и rvalue в C++. Компилятор очевидно может их различать и позаботится о вызове правильного конструктора во время компиляции.

Заключение


Можно написать много C++ кода, не задумываясь о разногласиях rvalue и lvalue, опуская их как непонятный жаргон компилятора в сообщениях об ошибках. Однако, как я пытался показать в этой статье, лучшее владение этой темы обеспечит более глубокое понимание определённых конструкций C++, и сделает части стандарта C++ и дискуссии между экспертами языка для вас более доступными.

В стандарте C++11 эта тема является ещё более важной, так как C++11 вводит понятия ссылок на rvalue и семантики переноса. Чтобы действительно понять новые особенности языка, строгое понимание rvalue и lvalue просто необходимо.

© Habrahabr.ru