C++ 左值引用与右值引用详解

在 C++ 的类型系统中，引用（reference） 是一种为已有对象起别名的机制。在早期（C++98/03）中，C++ 只有 左值引用（lvalue reference），主要用于函数参数传递、返回值以及避免拷贝。到了 C++11，引入了 右值引用（rvalue reference），为完美转发（perfect forwarding）和移动语义（move semantics）提供了语言支持，大大提升了性能和灵活性。

---

一、左值与右值的基本概念

在解释左值引用和右值引用之前，需要弄清楚 左值（lvalue） 和 右值（rvalue） 的含义。

1. 左值（lvalue）

• 左值表示在表达式结束后仍然存在的对象，可以取地址，有名字。
• 特点：可以出现在赋值号的左边（其实是因为可寻址，而不是单纯因为在左边）。
• 常见例子：

int x = 10; // x 是一个左值
x = 20;     // 左值可以出现在赋值号的左边
&x;         // 可以取地址

2. 右值（rvalue）

• 右值表示表达式结束后不再存在的临时对象，通常不能取地址，没有名字。
• 特点：只能出现在赋值号的右边（通常是字面量、表达式结果等）。
• 常见例子：

10;         // 字面量是右值
x + 5;      // 表达式结果是右值
std::string("Hello"); // 临时对象是右值

---

二、左值引用（lvalue reference）

1. 定义

左值引用的语法形式是在类型名后面加上 &：

int a = 10;
int& ref = a;  // ref 是 int 类型的左值引用，绑定到 a

此时 ref 就是 a 的别名，对 ref 的修改就是对 a 的修改。

2. 特点

• 只能绑定到左值。
• 一旦绑定，引用不可更换绑定对象。
• 常用于函数参数传递，避免拷贝，提高性能。

3. 示例

void increment(int& n) {n++;
}int main() {int x = 5;increment(x);  // x 被修改为 6
}

---

三、右值引用（rvalue reference）

1. 定义

右值引用的语法形式是在类型名后面加上 &&：

int&& rref = 10;  // rref 绑定到右值 10

右值引用可以绑定到临时对象（右值），使得我们可以在它被销毁之前对其进行修改或“移动”。

2. 特点

• 只能绑定到右值（包括字面量、临时对象、表达式结果等）。
• 常用于移动语义和完美转发。
• 避免不必要的深拷贝，提高性能。

3. 示例

#include <iostream>
#include <vector>void printVector(std::vector<int>&& v) {std::cout << "Size: " << v.size() << '\n';
}int main() {std::vector<int> tmp = {1, 2, 3};printVector(std::move(tmp)); // 将 tmp 转换为右值引用
}

---

四、移动语义与右值引用

在 C++98/03 中，如果我们返回一个大对象，会产生不必要的深拷贝：

std::string getStr() {std::string s = "Hello";return s; // 旧标准中可能拷贝一次
}

C++11 引入了 移动构造函数 和 右值引用，允许“窃取”临时对象的资源，而不是复制。

移动构造函数示例

#include <iostream>
#include <string>class MyString {char* data;
public:MyString(const char* s) {data = new char[strlen(s)+1];strcpy(data, s);}// 移动构造函数MyString(MyString&& other) noexcept {data = other.data;other.data = nullptr;std::cout << "Moved!\n";}~MyString() { delete[] data; }
};int main() {MyString a("Hello");MyString b(std::move(a)); // 调用移动构造
}

---

五、完美转发与 std::forward

当我们写一个模板函数时，可能希望保留实参的值类别（左值或右值）。使用 右值引用 + 引用折叠规则 + std::forward 可以实现完美转发。

#include <utility>
#include <iostream>void process(int& x)  { std::cout << "Lvalue\n"; }
void process(int&& x) { std::cout << "Rvalue\n"; }template<typename T>
void forwarder(T&& arg) {process(std::forward<T>(arg));
}int main() {int a = 5;forwarder(a);        // 输出 Lvalueforwarder(10);       // 输出 Rvalue
}

---

六、引用折叠规则

C++ 的引用折叠规则规定：

• T& & 折叠为 T&
• T& && 折叠为 T&
• T&& & 折叠为 T&
• T&& && 折叠为 T&&

这使得 万能引用（universal reference）（或者叫转发引用 forwarding reference）成为可能。

---

七、注意事项

1. 右值引用不是万能的：绑定到右值意味着你可以修改它，但并不是强制要移动它。
2. 使用 std::move：std::move 并不移动对象，只是将左值强制转换为右值引用。
3. 警惕悬挂引用：右值引用绑定到临时对象，如果临时对象销毁，引用就悬空。
4. 移动后对象可用但状态不确定：移动语义通常会清空被移动对象的内部资源，但允许它被安全析构。

---

八、总结对比表

特性	左值引用 (T&)	右值引用 (T&&)
可绑定对象类型	左值	右值
常见用途	参数传递，避免拷贝	移动语义，完美转发
C++ 引入版本	C++98	C++11
是否可更换绑定对象	否	否
是否支持取地址	是	是