C++ Tricks 3.1 左值右值與常量性(lvalue,rvalue & constant)

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3.1 左值右值與常量性(lvalue,rvalue & constant)

首先要搞清楚的是,什麼是左值,什麼是右值。這裏給出左值右值的定義:

1、左值是可以出現在等號(=)左邊的值,右值是隻能出現在等號右邊的值。

2、左值是可讀可寫的值,右值是隻讀的值。

3、左值有地址,右值沒有地址。

根據左值右值的第二定義,值的左右性就是值的常量性——常量是右值,非常量是左值。比如:

1=1;//Error

這個複製操作在C++中是語法錯誤,MSVC給出的錯誤提示爲“error C2106: '=' : left operand must be l-value”,就是說’=’的左操作數必須是一個左值,而字面常數1是一個右值。可見,嚴格的區分左值右值可以從語法分析的角度找出程序的邏輯錯誤。

根據第二定義,一個左值也是一個右值,因爲左值也可讀,而一個右值不是一個左值,因爲右值不可寫。

通常情況下,聲明的變量是一個左值,除非你指定const將它變成一個右值:

int lv=1;

const int rv=lv;

由於右值的值在程序執行期間不能改變,所以必須用另一個右值初始化它。

一個普通變量只能用右值初始化,如果你想傳遞左值,必須聲明一個引用或一個指針:

int & ref=lv;//用引用傳遞左值

int * plv=&lv;//傳遞指針以間接傳遞左值

必須用左值初始化引用,然而,可以用右值初始化常量引用:

int & r1=1; //Error!

const int & r2=1; //OK

這實際上相當於:

int _r2=1;

const int & r2=_r2;

這樣的寫法在函數體內沒什麼作用,但是在傳遞函數參數時,它可以避免潛在的(傳遞左值時的)複製操作,同時又可以接受右值。

通常情況下,函數的參數和返回值都只傳回右值,除非你明確的通過引用傳遞左值。

明確了左值與右值的區別,有助於我們寫函數時確定什麼時候應該有const,什麼時候不該有。比如,我們寫了一個代表數學中複數的類Complex:

class Complex;

然後,我們寫針對Complex的運算符重載:operator+和operator=。問題在於,參數和返回值應該是什麼類型,可選類型有四種: Complex、const Complex、Complex&、const Complex&。

對於operator+,我們不會改變參數的值,所以可以通過const Complex&傳遞參數。至於返回值類型,由於int類型的加法返回右值,所以根據Do as the ints do的原則,返回值類型爲const Complex:

const Complex operator+(const Complex&,const Complex&);

對於operator=,同樣要思考這些問題。我們寫入第一個參數,所以第一個參數爲Complex&,我們只讀取第二個參數,所以第二個參數爲const Complex&。至於返回值,還是Do as the ints do。int的賦值返回左值,不信你可以試一試:

int i;

(i=1)=2;

雖然比較傻,先將i賦爲1,再將其改爲2,但是這是被C++語法支持的做法,我們就理應遵守。所以返回第一個參數的左值:

Complex& operator=(Complex&,const Complex&);

const是C++引入的語言特性,也被ANSI C99借鑑,在經典版本的C語言中是沒有的。關於const的歷史,有幾點值得玩味。最初Bjarne Stroustrup引入const時,可寫性是和可讀性分開的。那時使用關鍵字readonly和writeonly。這個特點被首先提交到C的ANSI標準化委員會(當時還沒有C++標準化的計劃),但是ANSI C標準只接受了readonly的概念,並將其命名爲const。隨後,有人發現在多線程同步的環境下,有些變量的值會在編譯器的預料之外改變,爲了防止過度優化破壞這些變量,C++又引入關鍵字violate。從語義特點來看,violate是const的反義詞,因爲const表示不會變的量,而violate表示會不按照預期自行變化的量。從語法特點而言,violate與const是極爲相似的,適用於const的一切語法規則同樣適用於violate。

值的常量性可以被劃分爲兩種:編譯期常量和運行期常量。C++語法並沒有嚴格區分這兩種常量,導致了少許混亂:

const int i=5;const int * pi=&i;

const_cast<int&>i=1;//對於運行期常量,在需要時可以去除它的常量性

int a[i];//對於編譯期常量,可以用它來指定數組大小

cout<<i<<sizeof(a)/sizeof(a[0])<<*pi;

這種將編譯期與運行期常量的特性混用的方法,勢必導致語義的混亂。數組a的大小最終是5,因爲採用了i的編譯期值,而不管i在運行期是否被改變了值。最後一句代碼將(有可能)輸出551,第一個i的值作爲一種優化在編譯期綁定,第二個值標明瞭a的大小,第三個值通過指針顯示地輸出i的運行期真實值。

在C++的近親C#的語法中,這兩種常量被嚴格地區分開:編譯期常量由const指定,只能是內建類型變量;運行期常量由readonly指定,可以是任何類型。永遠不會改變的常量,如圓周率pi的值,應該用const聲明;而其它有可能改變的常量,皆由readonly聲明。

C++中的const的特點更傾向於C#中的readonly,雖然語法上允許使用const的編譯期常量性,但正如上文所展示的,這容易造成混亂。爲了得到C#中const的語義,在C++中,我們不必迴歸惡魔#define的懷抱,可以使用所謂“匿名enum技巧”。當匿名聲明一個enum類型時,其中的枚舉值就是一個int類型的編譯期常量,比如:

enum{Size=5;};

int a[Size];

這種使用匿名enum來聲明編譯期常量的做法,被廣泛應用於STL、boost等模板庫的實現代碼中。

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