C++ 左值引用與右值引用詳解

在 C++ 的類型系統中，引用（reference） 是一種為已有對象起別名的機制。在早期（C++98/03）中，C++ 只有 左值引用（lvalue reference），主要用于函數參數傳遞、返回值以及避免拷貝。到了 C++11，引入了 右值引用（rvalue reference），為完美轉發（perfect forwarding）和移動語義（move semantics）提供了語言支持，大大提升了性能和靈活性。

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一、左值與右值的基本概念

在解釋左值引用和右值引用之前，需要弄清楚 左值（lvalue） 和 右值（rvalue） 的含義。

1. 左值（lvalue）

• 左值表示在表達式結束后仍然存在的對象，可以取地址，有名字。
• 特點：可以出現在賦值號的左邊（其實是因為可尋址，而不是單純因為在左邊）。
• 常見例子：

int x = 10; // x 是一個左值
x = 20;     // 左值可以出現在賦值號的左邊
&x;         // 可以取地址

2. 右值（rvalue）

• 右值表示表達式結束后不再存在的臨時對象，通常不能取地址，沒有名字。
• 特點：只能出現在賦值號的右邊（通常是字面量、表達式結果等）。
• 常見例子：

10;         // 字面量是右值
x + 5;      // 表達式結果是右值
std::string("Hello"); // 臨時對象是右值

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二、左值引用（lvalue reference）

1. 定義

左值引用的語法形式是在類型名后面加上 &：

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

此時 ref 就是 a 的別名，對 ref 的修改就是對 a 的修改。

2. 特點

• 只能綁定到左值。
• 一旦綁定，引用不可更換綁定對象。
• 常用于函數參數傳遞，避免拷貝，提高性能。

3. 示例

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

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三、右值引用（rvalue reference）

1. 定義

右值引用的語法形式是在類型名后面加上 &&：

int&& rref = 10;  // rref 綁定到右值 10

右值引用可以綁定到臨時對象（右值），使得我們可以在它被銷毀之前對其進行修改或“移動”。

2. 特點

• 只能綁定到右值（包括字面量、臨時對象、表達式結果等）。
• 常用于移動語義和完美轉發。
• 避免不必要的深拷貝，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)); // 將 tmp 轉換為右值引用
}

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四、移動語義與右值引用

在 C++98/03 中，如果我們返回一個大對象，會產生不必要的深拷貝：

std::string getStr() {std::string s = "Hello";return s; // 舊標準中可能拷貝一次
}

C++11 引入了 移動構造函數 和 右值引用，允許“竊取”臨時對象的資源，而不是復制。

移動構造函數示例

#include <iostream>
#include <string>class MyString {char* data;
public:MyString(const char* s) {data = new char[strlen(s)+1];strcpy(data, s);}// 移動構造函數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)); // 調用移動構造
}

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五、完美轉發與 std::forward

當我們寫一個模板函數時，可能希望保留實參的值類別（左值或右值）。使用 右值引用 + 引用折疊規則 + std::forward 可以實現完美轉發。

#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);        // 輸出 Lvalueforwarder(10);       // 輸出 Rvalue
}

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六、引用折疊規則

C++ 的引用折疊規則規定：

• T& & 折疊為 T&
• T& && 折疊為 T&
• T&& & 折疊為 T&
• T&& && 折疊為 T&&

這使得 萬能引用（universal reference）（或者叫轉發引用 forwarding reference）成為可能。

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七、注意事項

1. 右值引用不是萬能的：綁定到右值意味著你可以修改它，但并不是強制要移動它。
2. 使用 std::move：std::move 并不移動對象，只是將左值強制轉換為右值引用。
3. 警惕懸掛引用：右值引用綁定到臨時對象，如果臨時對象銷毀，引用就懸空。
4. 移動后對象可用但狀態不確定：移動語義通常會清空被移動對象的內部資源，但允許它被安全析構。

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八、總結對比表

特性	左值引用 (T&)	右值引用 (T&&)
可綁定對象類型	左值	右值
常見用途	參數傳遞，避免拷貝	移動語義，完美轉發
C++ 引入版本	C++98	C++11
是否可更換綁定對象	否	否
是否支持取地址	是	是