[C++] value category ( lvalue vs rvalue )

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개요

이 글에서는 c++의 value category의 정의와 각 category의 특징과 예제에 대해서 설명한다.

lvalue와 rvalue의 정의

lvalue

lvalue는 operator= 에서 왼쪽에 들어갈 수 있는 값을 말한다. 일반적으로, 메모리 위치나 참조하고, 식별자를 가지고 있는 식를 lvalue라고 한다.

rvalue

rvalue의 정의도 비슷하게 operator= 에서 오른쪽에 들어갈 수 있는 값을 말한다. 그래서 모든 lvalue는 rvalue이지만 rvalue는 lvalue일 수도 있고 아닐 수 있다.
일반적으로는 메모리 위치가 있고, 식별자가 없는 식를 rvalue라고 한다.

#define rvalue 42
int lvalue;
lvalue = rvalue;

value category

lvalue와 rvalue도 여러가지로 나뉜다. c++17 standard 에서는 아래와 같이 value의 category를 나누게 된다.

glvalue ( generalized lvalue )

식별자로 정의되는 모든 식을 뜻한다.

int a = 10; // a is glvalue

prvalue ( pure rvalue )

아래의 두가지를 평가하는 식이다.

1. built-in operator ( +, - , etc… ) 으로 계산하는 식
2. 초기화 된 개체

특성

struct S {
    S() : m{42} {}
    S(int a) : m{a} {}
    int m;
};
 
int main() {
    int a = 1 + 3; // 1 + 3 is prvalue
    S s = S{}; // S{} is prvalue
}

xvalue ( eXpiring value )

glvalue 이지만 다시 사용이 가능한 value를 뜻한다.

class Foo {
    int value;
};

int main() {
    Foo f1;
    Foo f2 = std::move(f1); // std::move(f1) is xvalue
}

lvalue

glvalue 중에 xvalue가 아닌 식이다.

rvalue

prvalue거나 xvalue인 식이다.

확인 방법

value category 중에 어디에 포함되는지는 c++의 decltype 과 true_type, false_type 으로 확인이 가능하다. 아래의 코드는 expression이 어느 카테고리에 들어가는지 컴파일타임에 확인하는 코드이다.

// reference: https://en.cppreference.com/w/cpp/language/value_category

#include <type_traits>
#include <utility>

template <class T> struct is_prvalue : std::true_type {};
template <class T> struct is_prvalue<T&> : std::false_type {};
template <class T> struct is_prvalue<T&&> : std::false_type {};

template <class T> struct is_lvalue : std::false_type {};
template <class T> struct is_lvalue<T&> : std::true_type {};
template <class T> struct is_lvalue<T&&> : std::false_type {};

template <class T> struct is_xvalue : std::false_type {};
template <class T> struct is_xvalue<T&> : std::false_type {};
template <class T> struct is_xvalue<T&&> : std::true_type {};

int main()
{
	int a{ 42 };
	int& b{ a };
	int&& r{ std::move(a) };

	// Expression `42` is prvalue
	static_assert(is_prvalue<decltype((42))>::value, "");

	// Expression `a` is lvalue
	static_assert(is_lvalue<decltype((a))>::value, "");

	// Expression `b` is lvalue
	static_assert(is_lvalue<decltype((b))>::value, "");

	// Expression `std::move(a)` is xvalue
	static_assert(is_xvalue<decltype((std::move(a)))>::value, "");

	// Type of variable `r` is rvalue reference
	static_assert(std::is_rvalue_reference<decltype(r)>::value, "");

	// Type of variable `b` is lvalue reference
	static_assert(std::is_lvalue_reference<decltype(b)>::value, "");

	// Expression `r` is lvalue
	static_assert(is_lvalue<decltype((r))>::value, "");
}

결론

c++ 의 value category 는 크게 5가지 ( glvalue, prvalue, lvalue, xavlue, rvalue ) 정도로 나뉜다. 하지만 실제로 코드를 보고 이 value가 어떤 category인지 이해하는 것은 쉽지 않아서 더 많은 예제와 많은 공부가 필요할 것으로 보인다.

예를들어서

#include <iostream>
using namespace std;

struct S {
    S() : m{42} {}
    S(int a) : m{a} {}
    int m;
};
 
int main() {
    S s = S{}; // S{} is prvalue
    cout << (S{} = S{7}).m << endl;
}

이러한 코드를 보자. S{} 는 prvalue 로 임시객체이다. 그런데 (S{} = S{7}) 이 expression이 문제없이 돌아간다. prvalue는 대입의 왼쪽에 나올 수 없는데 왜 그런걸까? ( 이유: operator= 에서는 prvalue가 lvalue로 변경된다. 추후 왜 그런지에 대해서 포스팅하겠다. )

여러 실제 예제들에 대해서 이해하기 위해서는 그냥 카테고리의 정의에 많은 c++ 지식이 필요할 것으로 보인다.

참조

cpp reference - value category
microsoft learn - value category
microsoft learn - lvalues and rvalues
microsoft learn - built-in operators