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

C++ 中的 引用（Reference） 是變量的別名，分為兩種：

1. 左值引用（Lvalue Reference）：T&
   • 用于綁定到左值。
   • 可以讀取或修改綁定的對象。
2. 右值引用（Rvalue Reference）：T&&
   • 用于綁定到右值。
   • 通常用于轉移資源（實現移動語義）或延長右值的生命周期。

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1. 什么是左值和右值？

左值（Lvalue）

左值是指 在程序中有持久存儲地址的對象。通常：

• 左值可以被取地址（& 操作符）。
• 左值可以出現在賦值語句的左側。

示例：

int x = 10;  // x 是左值，存儲在內存中，有地址
x = 20;      // 可以修改左值

右值（Rvalue）

右值是指 臨時對象或沒有存儲地址的值。通常：

• 右值不能被取地址（& 操作符無效）。
• 右值通常是表達式的結果或字面值（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，計算結果的臨時對象

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2. 左值引用（T&）

左值引用的定義

• 左值引用（T&）是綁定到左值的一種引用。
• 它是左值的別名，可以通過引用對原對象進行修改。

語法：

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

特點

1. 左值引用只能綁定到左值。
2. 引用本身不是對象，沒有地址。

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 xcout << x << endl;  // 輸出: 20return 0;
}

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3. 右值引用（T&&）

右值引用的定義

• 右值引用（T&&）是綁定到右值的一種引用。
• 它可以延長右值的生命周期，允許在右值上執行操作。

語法：

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

特點

1. 右值引用只能綁定到右值。
2. 用于延長臨時對象的生命周期。
3. 常見于移動語義和完美轉發。

示例：延長右值生命周期

#include <iostream>
using namespace std;int main() {int&& ref = 42;       // ref 是右值引用，綁定到臨時對象 42cout << ref << endl;  // 輸出: 42ref = 100;            // 修改 ref，也修改了臨時對象cout << ref << endl;  // 輸出: 100return 0;
}

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4. 左值引用和右值引用的對比

特性	左值引用（T&）	右值引用（T&&）
綁定對象類型	左值	右值
是否延長生命周期	否	是
用途	用于修改左值	用于移動語義、優化性能、延長右值生命周期
示例	int& ref = x;	int&& ref = 42;

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5. 結合使用左值引用和右值引用

C++11 引入右值引用后，開發者可以通過重載實現更高效的操作。

示例：函數重載

#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);     // 調用左值引用版本process(42);    // 調用右值引用版本process(a + 1); // 調用右值引用版本return 0;
}

輸出：

左值引用: 10
右值引用: 42
右值引用: 11

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6. 常見使用場景

6.1. 移動語義

右值引用常用于轉移資源，避免拷貝，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); // 轉移 vec1 的資源到 vec2cout << "vec1 size: " << vec1.size() << endl; // 輸出: 0cout << "vec2 size: " << vec2.size() << endl; // 輸出: 3return 0;
}

6.2. 完美轉發

右值引用結合模板，用于實現完美轉發。

示例：完美轉發

#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屬性
}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. 總結

特性	左值引用（T&）	右值引用（T&&）
綁定的對象	左值	右值
用途	修改左值	延長右值生命周期、實現移動語義
性能	需要拷貝數據	避免拷貝，直接轉移資源
使用場景	常規引用操作	移動語義、完美轉發、高效處理臨時對象