prvalue#

prvalue는 내장 연산자의 피연산자로 사용되기위한 순수한 연산의 결과 값이거나 객체를 초기화하는 표현식의 값 범주로 메모리 주소 참조가 불가능하고 (identity = false), 이동이 가능합니다.(movability = true)

prvalue의 특징으로는 컴파일시 메모리가 할당되지않고 레지스터에만 머물거나 어셈블리 명령어에 즉치 피연산자(Immediate Operand; 어셈블리에 상수가 직접 포함됌)로 하드코딩되기에 메모리의 주소값을 취할 수 없습니다. 또한 prvalue는 불완전한 타입이나 추상 클래스를 가질 수 업고 원시 자료형(primitive type)의 경우 const와 volatile 한정자도 가질 수 없습니다.

prvalue는 C++17 이전엔 즉각적으로 임시 객체를 생성하는 것으로 간주되어 불필요한 복사/이동 생성자를 호출할 가능성을 내포했지만 C++17부터는 “객체를 초기화하기위한 방법”으로 변경되었습니다. 따라서 prvalue는 그 자체로 객체가 아니고 초기화 문맥에 도달할 때까지 실제 메모리에 객체를 생성하지 않고 prvalue를 참조에 바인딩하거나, 클래스의 prvalue 멤버에 접근할때 비로소 실체화됩니다.

prvalue는 다음과 같은 것들이 있습니다.

• 리터럴(문자열 리터럴 제외) : 42, true, -17, 84.f, -23.0, 'a'
• 후위 증감 연산자의 결과 : x++
• 값이 아닌 타입을 반환하는 함수 또는 연산자의 호출의 결과 : str.substr(1, 2), str1 + str2
• 산술, 논리, 비트 연산자의 결과 : a + b, a && b, a < b, a & b
• this
• 상수 템플릿 표현식의 스칼라 값
• 람다 표현식 그 자체 : [](int x){ return x * x; }
• 참조 타입이 아닌 것으로 캐스팅하는 표현식 : static_cast<double>(x)
• 주소를 취한 표현식 : &a
• 클래스의 열거형 변수(enumerator)나 static이 아닌 메서드 참조(데이터 멤버 x) : a.m, p->m
• 열거형 변수(enumerator)
• 클래스의 멤버 함수 포인터 역참조 : a.*mp a->*mp
• 콤마 연산자와 삼항 연산자의 우측에 존재하는 표현식들 : a, b(b가 prvalue), a ? b : c(b, c가 prvalue)

xvalue#

xvalue는 곧 수명이 다할 임시객체이거나 프로그래머가 임의로 성질을 바꾼 것으로 메모리 상의 주소를 가지고 있어(identity = true) lvalue처럼 취급될 수 있으면서도, 동시에 이동이 가능한(movability = true) 값 범주입니다.

하지만 xvalue는 그 정의상 곧 사라질 객체이거나 자원을 뺏겨도 괜찮은 객체이기에 주소 연산자(&)로 주소를 취할 순 없습니다. xvalue의 성질 중 특이한 것은 xvalue 표현식이 함수나 연산자에 들어갈때 우측값 참조(T&&) 매개변수을 가진 버전을 최우선적으로 타겟팅하고 만약 없다면 상수 좌측값 참조(const T&)를 우선적으로 타겟팅한다는 것입니다. xvalue는 다른 모든 rvalue와 마찬가지로 우측값 참조에 바인딩될 수 있고 다른 glvalue와 마찬가지로 다형성을 가질 수 있으며 클래스가 아닌 xvalue는 const와 volatile을 가질 수 있습니다.

이러한 xvalue에는 다음과 같은 것이 있습니다.

• rvalue 객체의 static이 아닌 객체 데이터 참조 : a.m(a는 rvalue)
• 객체 표현식의 멤버 포인터 : a.*mp
• 콤마 연산자와 삼항 연산자의 우측에 존재하는 표현식들 : a, b(b가 xvalue), a ? b : c(b, c가 xvalue)
• 우측값 참조를 반환하는 함수나 연산자의 표현식 : std::move(x)
• rvalue 배열 첨자 연산자 : a[n](a는 rvalue)
• 우측값 참조로 캐스팅한 표현식 : static_cast<char&&>(x)
• prvalue가 실체화되는 타이밍 (C++17 이상)
• 이동 가능한 표현식(return 문, co_return 문(C++20 이상), throw 문(C++17 이상); C++23 이상)

lvalue#

lvalue는 메모리 상에서 명확하게 주소를 가지고 있으며(identity = true), 지속적으로 접근할 수 있지만, 자원을 임의로 빼앗을 순 없는(movability = false) 값 범주입니다. lvalue는 다형성을 가지고 주소 연산자(&)를 취할 수 있으며 좌측값 참조와 상수 좌측값 참조를 초기화하는데 사용할 수 있고, const가 아닌 lvalue는 대입 연산자의 좌측에 위치할 수 있습니다.

이러한 lvalue는 다음과 같은 것이 있습니다.

• 이름있는 변수, 함수, 템플릿 파라미터 오브젝트(C++20 이상) 또는 데이터 멤버, 우측값 참조 변수
• 좌측값 참조를 반환하는 함수나 내장되지 않은 연산자의 표현식 : std::cout << 1
• 모든 내장된 대입 연산자 표현식 : a = b, a += b, a %= b
• 전위증감연산자 표현식 : ++x, --x
• 내장된 역참조 표현식 : *p
• 내장된 배열 첨자 연산자(C++11 이후는 a[n]이 좌측값일때)
• 우측값, 열거형 변수, static이 아닌 메서드, a가 우측값이고 m이 static이 아닌 데이터 멤버일때를 제외한 객체 멤버 표현식 : a.m
• 열거형 변수나 static이 아닌 메서드를 제외한 객체 멤버 포인터 접근 표현식 : p->m
• lvalue 객체의 멤버 접근후 데이터 변수 역참조 : a.*mp
• 내장된 포인터 객체 멤버 접근후 데이터 변수 역참조 : p->*mp
• 내장된 콤마 연산자와 삼항 연산자의 우측에 존재하는 표현식들 : a, b(b가 lvalue), a ? b : c(b, c가 lvalue)
• 문자열 리터럴 : "Hello, world!"
• 좌측값 참조 캐스팅 : static_cast<int&>(x), static_cast<const int&>(x)
• 좌측값 참조 템플릿 매개변수 상수
• 우측값 참조를 반환하는 함수를 반환값으로 가지는 함수나 연산자 표현식(C++11 이상)
• 우측값 참조를 반환하는 함수로 캐스팅하는 표현식 : static_cast<void(&&)(int)>(x)

const T&#

좌측값 참조는 참조를 하는 대상을 변경할 수 없기에 prvalue, xvalue, lvalue 모두를 대상으로 가질 수 있습니다. 따라서 좌측값 참조는 참조를 하는 대상을 자신의 수명과 같게 강제로 연장시킵니다.

참조 축약 규칙#

C++ 컴파일러는 문법적으로 참조에 대한 참조를 선언하는 것을 금지합니다. 하지만 typedef, using, decltype을 사용하며 참조에 대한 참조가 발생하는 경우가 있기에 다음과 같은 규칙으로 참조가 축약됩니다.

• T& + & = T&
• T& + && = T&
• T&& + & = T&
• T&& + && = T&&

이러한 참조 축약 규칙이 많이 적용되는 공간은 템플릿 매개변수 T&&으로 이 인자에 좌측값이 전달되면 컴파일러는 T를 A&로 추론하여 A& &&, 최종적으론 A&로 평가됩니다. 거꾸로 우측값이 전달된 경우는 컴파일러는 T를 A로 추론하여 최종적으론 A&&로 평가됩니다.

std::move, std::forward#

C++11에서 도입된 std::move와 std::forward는 잘 사용할시 오버헤드를 크게 줄일 수 있는 함수들입니다. std::move는 인자로 전달된 표현식의 값 범주를 xvalue로 변환하여 반환합니다.

1
template <typename T>
2
constexpr std::remove_reference_t<T>&& move(T&& arg) noexcept {
3
    return static_cast<std::remove_reference_t<T>&&>(arg);
4
}

이 std::move 함수를 사용하면 좌측값을 xvalue 표현식으로 바꿔낼 수 있게되고 그에 따라 컴파일러가 호출할 클래스의 복사 생성자/복사 대입 연산자(const T&) 대신 이동 생성자/이동 대입 연산자(T&&)를 선택하도록 만들 수 있습니다.

이런 std::move 연산의 효과를 잘 보여주는 것이 바로 swap하는 상황입니다.

과거에는 아래같은 함수가 있었으면 복사 생성자/복사 대입 연산자가 호출되지만 현재에는 std::move를 이용하면 이동 생성자/이동 대입 연산자를 호출하여 객체를 복사하지 않고도 swap할 수 있게됩니다.

1
template<typename T>
2
void swap(T& lhs, T& rhs)
3
{
4
    T tmp(lhs); // 복사 생성자
5
    lhs = rhs; // 복사 대입 연산자
6
    rhs = lhs; // 복사 대입 연산자
7
}

1
template<typename T>
2
void swap(T& lhs, T& rhs)
3
{
4
    T tmp(std:move(lhs)); // 이동 생성자
5
    lhs = rhs; // 이동 대입 연산자
6
    rhs = lhs; // 이동 대입 연산자
7
}

복사 생략(Copy Elision)#

복사 생략(Copy Elision)은 RVO(Return Value Optimization)¹와 NRVO(Named Return Value Optimization)²를 이용해 함수가 객체를 반환할때 이동/복사 생성자 호출을 생략하는 최적화입니다.

이 때 주의할 것으로 함수가 반환값을 돌려줄 때 아래와 같이 std::move()를 이용하여 이동으로 반환값을 줘 오버헤드를 줄이자는 생각을 할 수도 있는데 xvalue로 바뀌면 lvalue여야 작동하는직 NRVO를 사용하지 못하기에 오히려 속도가 느려질 수 있습니다.