值类别

C++ 的值类别系统有时候被认为是混乱而邪恶的，是为了回溯兼容强行打上的补丁。C++17 进行了一次大规模的体系修补，把值类别系统等基本上修得比较严谨了（另一处重要的修补是求值顺序）。然而，这套设计存在一些小缺陷，使得有些地方看着不太优雅。近些年来随着要求加入重定位语义的呼声越来越大，使值类别系统进化为优雅设计的机会几乎要来了，可惜还是差一丝，保守派胜利了。

在 AutoLang 中，我基于现有系统和一些 C++ 提案，设计了一套稍微有点不同的值类别系统。

远古 AutoLang 的值类别系统

在 AutoLang 中，表达式拥有两种基本属性：类型和值类别，这两种属性是正交的。

类别

根据有无身份和是否要转移所有权，值类别分为三种：左值、右值、（将）亡值。

所有权 \ 身份	有身份	无身份
转移所有权	亡值	右值
持有所有权	左值	无意义

左值的来源主要是：

1. 具名存量、函数、成员存量的名字
2. 任何类型为左值引用的表达式
   • 不包括第 1 条
   • 类型为 T& 的表达式是 T& 类型左值
3. & 表达式
4. 字符串字面量是 Char[N]& 类型

右值的来源是：

• 除了字符串以外的字面量
• 类型是非引用类型的函数调用或重载运算符表达式
• 对象构造表达式
• reloc 表达式
• auto 表达式

亡值的来源是：

• && 表达式
• 临时量实质化
• 具有移动资格的表达式

左值与亡值统称为泛左值，亡值与右值统称为泛右值。

引用

AutoLang 的引用与 C++ 的引用有很多区别，具体来说有两种：左值引用和亡值引用。

左值引用可以绑定到左值表达式，但 const 左值引用不能绑定到右值或亡值。亡值引用可以绑定到亡值，但不能绑定到右值。左值引用与右值引用的混合引用折叠是非良构的。

名字表达式

名字表达式有特殊的地位，原因涉及到之后要说的统一推导规则，毕竟我们也不希望

auto x = 0;
auto y = x;

的 y 是 Int& 吧。

所以令名字表达式有一种特殊含义：

• 非引用的 T 类型存量名是 T 类型左值
• 任何左值或右值引用 T& 或 T&& 是 T 类型左值

其实就是自动脱去引用修饰符。

引用表达式

引用表达式有两种：

• 左值引用 &expr
  • 对于非亡值引用类型 T 或 T& 的左值表达式 expr ， &expr 是 T& 左值
  • 对于亡值引用类型 T&& 的亡值表达式 expr ， &expr 是 T& 左值 （有缺陷）
  • 其它表达式非良构
• 亡值引用 &&expr
  • 对于左值表达式 expr ， &&expr 是 T&& 亡值
  • 对于右值表达式 expr ， &&expr 进行临时量实质化，延长其生命周期，得到指代同一对象的亡值引用类型亡值表达式 （有缺陷）
  • 对于亡值表达式 expr ， &&expr 不做任何事

上古 AutoLang 的值类别系统

可以看到，远古 AutoLang 的值类别系统相比于 C++ 的值类别系统有意弱化了亡值和亡值引用的概念，这是因为我们在 AutoLang 中引入了破坏性移动——对应于 C++ 的重定位语义——即移动语义。在 C++ 中，出于兼容性的考虑，移动语义采用的是非破坏性移动，从而经常要用到亡值。而 AutoLang 没有兼容性考虑，主推破坏性移动，从而亡值的作用被大大弱化了。

如果我们以 AutoLang 思维来看，弱化后的亡值和亡值引用已经没有存在的意义了，它们只会徒增复杂度。所以中古 AutoLang 的值类别系统抛弃了亡值，仅剩左值和右值。

非破坏性移动

C++ 中的 std::move 仅生成亡值，除此之外什么都不做，而如果喂给它一个纯右值，则可能会产生悬垂引用。

AutoLang 的非破坏性移动被称作“取用”，使用关键词 take 表示，这种语义称作取用语义。

take 接受一个左值，然后 take 表达式是一个右值。被取用的对象依然存活，处于有效的 taken 状态，常常是空状态，常见的反例是 std::String 之类的有特殊机制的类型和可平凡取用的类型。

引用和引用表达式

删除了亡值和亡值引用的体系干净多了，我们只有一种引用，那就是左值引用，它可以绑定到一个左值表达式（ T 或 &T ）上。然后仅有一种引用折叠规则，那就是 & &T -> &T 。

表达式的值类别与类型交织出三种语义：

值类别 \ 类型	T	&T
左值	复制语义	引用语义
右值	移动语义	不存在

具有移动资格的表达式

如果一个左值被使用的同时，它所指代的对象也同时被销毁，则会将其进行移动。例如 return 和 throw 的时候。

破坏契约

非破坏性移动只是改变了对象的状态，仍然处于存活且不违反不变式（如果有）的状态。但我们设想这种情况：

T: type = {
    x: T1,
    y: T2,
} // 假设存在不变式

t := T();
x := move t.x;

这时候虽然 t.y 能用，但是，如果 T 的不变式包含“成员 x 存活”，则违反了不变式。但如果只是非破坏性移动，则至少不会令其不存活。

更致命的是，想到这个的时候我突然发现，即使不引入不变式，也可能造成危险：

T: type = {
    x: T1,
    y: T2,
} // 假设没有不变式

f: (t: &T) = {
    // 无论其内容，即便是空函数
}

t := T();
x = move t.x;
f(t); // boom!

上面这段代码的 T 明确了没有不变式，但函数 f 的入参 &T 却隐含了前条件：完整存活的对象。显然形式上第 12 行违反了前条件。

所以我正在设计一套方案，可能会是下面其一：

• 禁止对成员做破坏性移动
• 对成员做破坏性移动后，其所属对象不能再被单独引用（如同死亡，且会递归传染），但可以访问其他成员
• 其他未知方案

静态分析能够比较容易地防止使用已经移动的对象，但没有所有权和借用检查这一整套基本语义作为支撑的前提下，移动导致已有的引用或指针悬垂是难以通过静态分析得知的：

x := 1;
y := &x;
z := move x;
// 此时 y 悬垂

我保留非破坏性移动作为其中一个缓冲带，但还有一个计划是设计一套动态分析系统，这可能会在契约相关部分提到。