左值引用（Lvalue Reference）和右值引用（Rvalue Reference）详解

C++ 中的 引用（Reference） 是变量的别名，分为两种：

1. 左值引用（Lvalue Reference）：T&
   • 用于绑定到左值。
   • 可以读取或修改绑定的对象。
2. 右值引用（Rvalue Reference）：T&&
   • 用于绑定到右值。
   • 通常用于转移资源（实现移动语义）或延长右值的生命周期。

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1. 什么是左值和右值？

左值（Lvalue）

左值是指 在程序中有持久存储地址的对象。通常：

• 左值可以被取地址（& 操作符）。
• 左值可以出现在赋值语句的左侧。

示例：

int x = 10;  // x 是左值，存储在内存中，有地址
x = 20;      // 可以修改左值

右值（Rvalue）

右值是指 临时对象或没有存储地址的值。通常：

• 右值不能被取地址（& 操作符无效）。
• 右值通常是表达式的结果或字面值（如 42）。

示例：

int y = 42;       // 42 是右值，不能取地址
int z = x + 10;   // x + 10 是右值，计算结果的临时对象

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2. 左值引用（T&）

左值引用的定义

• 左值引用（T&）是绑定到左值的一种引用。
• 它是左值的别名，可以通过引用对原对象进行修改。

语法：

int x = 10;       // 左值
int& ref = x;     // ref 是 x 的引用
ref = 20;         // 修改 ref 等同于修改 x

特点

1. 左值引用只能绑定到左值。
2. 引用本身不是对象，没有地址。

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x = 10;
    int& ref = x;       // ref 是 x 的左值引用
    ref = 20;           // 修改 ref 等于修改 x
    cout << x << endl;  // 输出: 20
    return 0;
}

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3. 右值引用（T&&）

右值引用的定义

• 右值引用（T&&）是绑定到右值的一种引用。
• 它可以延长右值的生命周期，允许在右值上执行操作。

语法：

int&& ref = 42;  // ref 是右值引用，绑定到右值 42

特点

1. 右值引用只能绑定到右值。
2. 用于延长临时对象的生命周期。
3. 常见于移动语义和完美转发。

示例：延长右值生命周期

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int&& ref = 42;       // ref 是右值引用，绑定到临时对象 42
    cout << ref << endl;  // 输出: 42

    ref = 100;            // 修改 ref，也修改了临时对象
    cout << ref << endl;  // 输出: 100
    return 0;
}

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4. 左值引用和右值引用的对比

特性	左值引用（T&）	右值引用（T&&）
绑定对象类型	左值	右值
是否延长生命周期	否	是
用途	用于修改左值	用于移动语义、优化性能、延长右值生命周期
示例	int& ref = x;	int&& ref = 42;

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5. 结合使用左值引用和右值引用

C++11 引入右值引用后，开发者可以通过重载实现更高效的操作。

示例：函数重载

#include <iostream>
using namespace std;

// 左值引用版本
void process(int& x) {
    cout << "左值引用: " << x << endl;
}

// 右值引用版本
void process(int&& x) {
    cout << "右值引用: " << x << endl;
}

int main() {
    int a = 10;

    process(a);     // 调用左值引用版本
    process(42);    // 调用右值引用版本
    process(a + 1); // 调用右值引用版本

    return 0;
}

输出：

左值引用: 10
右值引用: 42
右值引用: 11

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6. 常见使用场景

6.1. 移动语义

右值引用常用于转移资源，避免拷贝，提高性能。

示例：右值引用和 std::move

#include <iostream>
#include <vector>
#include <utility> // std::move
using namespace std;

int main() {
    vector<int> vec1 = {1, 2, 3};
    vector<int> vec2 = std::move(vec1); // 转移 vec1 的资源到 vec2

    cout << "vec1 size: " << vec1.size() << endl; // 输出: 0
    cout << "vec2 size: " << vec2.size() << endl; // 输出: 3

    return 0;
}

6.2. 完美转发

右值引用结合模板，用于实现完美转发。

示例：完美转发

#include <iostream>
using namespace std;

void process(int& x) {
    cout << "左值引用: " << x << endl;
}

void process(int&& x) {
    cout << "右值引用: " << x << endl;
}

template <typename T>
void forward_to_process(T&& arg) {
    process(std::forward<T>(arg)); // 保持原始的左值或右值属性
}

int main() {
    int a = 10;
    forward_to_process(a);    // 左值引用
    forward_to_process(42);   // 右值引用
    return 0;
}

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7. 总结

特性	左值引用（T&）	右值引用（T&&）
绑定的对象	左值	右值
用途	修改左值	延长右值生命周期、实现移动语义
性能	需要拷贝数据	避免拷贝，直接转移资源
使用场景	常规引用操作	移动语义、完美转发、高效处理临时对象