C Programming Language

Expertise #03: Lvalue and Rvalue

Last Updated: 2020-07-01

前置知识

在阅读本文档前，请确保你已经掌握类型的基础知识，详见 Basics #03: Types 。

前言

左值和右值的概念是 C 语言标准中有明确规定的，它们为语法中的一些常见的、基础的、易于解释的简单现象或结论提供了理论上的规范和解释。不知道是什么原因，国内的课程或教材极少会介绍左值和右值的相关概念，它们的概念并不复杂，却有着较为重要的意义，完全没有将其省略的必要。

对于 C 语言开发者而言，左值和右值的概念其实不是必要的，哪怕你对此一无所知，也并不影响平时的编程，但是对于帮助理解编译信息和深入学习 C 语言来说，了解这些概念是很有意义的。

（不过，在 C++ 语言中，左值和右值的概念对于学习 C++11 及以上的一部分新特性（例如右值引用）来说是必要的前置知识。另外，左值和右值的概念在 C 语言和 C++ 语言中有微妙的差异，还请注意。）

左值

基本概念

左值 (l-value, left value) 是指标识了对象的内存位置的表达式，它有时也被称为 locator value 。左值可以出现在赋值运算符 = 的左侧或右侧，通常表示为标识符。

左值所表示的内容一定是在内存中具有确切可识别的地址的，例如你通常定义的各类变量的名称几乎都是左值，而例如一些字面量整数值就不是左值。

如果左值所标识的内存位置是可修改的，则称其为 可修改的左值 (modifiable l-value) 。例如数组类型和被 const 修饰的类型就不是可修改的左值，因为你不能直接修改一个数组，也不能直接修改一个 const 变量的值。

“左值”这一名称最初来自赋值表达式，例如对于 a = b ，其中 a 必须是一个（可修改的）左值。

基于左值的概念，我们可以规范地解释大量的基础语法规则。例如：

int a, b;
const int c = 0;
a = 1;
a = b;
3 = a;
a + 1 = b;
c = b;

第 $3,\ 4$ 行的代码是合法的；第 $5,\ 6$ 行的代码会编译错误，因为 3 和 a + 1 都不是一个左值；第 $7$ 行的代码也会编译错误，因为 c 不是一个可修改的左值。

如果一个标识符引用一个内存位置并且其类型是算术、结构、联合或指针，则它是可修改的左值。例如对于指向了某个内存区域的指针 p 而言， *p 是可修改的左值，用于指定 p 所指向的内存。例如：

int a[5];
int * p = &a[0];
int * q;
*p = 1;
q = p + 2;
*(p + 1) = 3;
p + 1 = q;

类似地，第 $7$ 行的代码会编译错误，因为 p + 1 都不是一个左值；而第 $6$ 行则是正确的，因为 *(p + 1) 是合法的左值。

详细定义

在 C 语言中，左值必须是下列表达式之一：

• 任何类型的变量的名称，例如整型、指针类型、结构体类型的标识符。

• 下标表达式 [] 的结果，如果结果不是数组类型。

• 对指针解引用的结果，如果结果不引用数组类型或函数类型。

• 括号 () 中的左值。

• 由 const 修饰的表达式。

• 通过 . 或 -> 访问结构体或共用体类型的成员的结果。

除了括号的规则以外应该都很好理解，就不再列举代码示例了。

现在轻松一下——下面这段看起来很奇怪的代码其实是合法的，因为括号不会改变左值的性质：

int a;
(a) = 1;

下面是 C99 标准中对左值的原文定义：

6.3.2.1 Lvalues, arrays, and function designators 1 An lvalue is an expression with an object type or an incomplete type other than void; if an lvalue does not designate an object when it is evaluated, the behavior is undefined. When an object is said to have a particular type, the type is specified by the lvalue used to designate the object. A modifiable lvalue is an lvalue that does not have array type, does not have an incomplete type, does not have a const-qualified type, and if it is a structure or union, does not have any member (including, recursively, any member or element of all contained aggregates or unions) with a const-qualified type.

右值

右值 (r-value, right value) 通常是指存储在内存中某个地址的数据值，是无法为其分配值的表达式，它有时也被称为 value of the expression 。右值只能出现在赋值运算符 = 的右侧。

从概念上讲，右值只是一个数据值，在 C 语言中右值不像左值那样引用某个对象（但在 C++ 中右值并非一定不能引用对象）。

右值的描述看起来和左值很像，但实际上完全不同。左值强调的是标识出指定对象的内存位置，而右值所标识的内存地址通常是匿名的或临时的，所指的通常是表达式计算的中间结果，例如：

int a = 1;
int b = a + 1;

在 C 程序被转换为汇编语言后，第 $2$ 行的代码会被分解为若干个步骤，其中 a + 1 会在过程中被存储在临时的位置（例如可能在寄存器中），这也就是右值的定义中所述的“存储在内存中某个地址”。但这个地址通常是无法由上层程序直接访问的，你不能去修改 a + 1 的值，例如令 a + 1 = 2 。

在 C 语言中右值的概念不太重要，事实上 C 标准甚至没有给出“右值”这一概念的明确定义，只将右值简单地称为 value of the expression 。所以在 C 语言中我们一般只需重点关注左值的相关问题。

实践作用

许多 C/C++ 编译器的编译信息中都引用了左值和右值的概念，了解左值和右值有利于我们阅读理解这些信息。例如：

int a = 1, b = 2;
a + 1 = b;

上述代码会报告如下编译错误：

|2| error: lvalue required as left operand of assignment

其字面意思为“需要左值作为赋值的左操作数”。如果你不理解左值是什么，看到这个报错很可能会一头雾水。而现在事情就简单多了，显然编译错误是因为你在赋值运算符的左侧误用了一个右值表达式 a + 1 。

当然，这种简单的问题不需要看懂报错也能解决，但在复杂的程序中，如果你理解左值和右值的概念，就可以非常高效地判明错误的来源，否则看到 lvalue 啥的你可能就要陷入迷惑了。

此外，因为 C/C++ 标准中事实上大量引用了左值和右值的概念，所以了解左值和右值有利于我们阅读相关文献和资料。一些复杂的问题可能很难用通俗的语言去描述，但是用左值和右值的理论就很容易描述清楚。