c++11-17 模板核心知识—— 理解模板参数推导规则

Posted 2021-04-04 红宸笑

• Case 1 : ParamType 是一个指针或者引用，但不是 universal reference
• T&
• const T&
• T*
• Case 2 : ParamType 是 Universal Reference
• 注意区别 Universal Reference 与右值引用
• Case 3 : ParamType 既不是指针也不是引用
• 数组作为参数
• ParamType 按值传递
• ParamType 为引用类型
• 函数作为参数

首先我们定义一下本文通用的模板定义与调用：

template<typename T>
void f(ParamType param);

......
f(expr); // call f with some expression

在编译阶段使用expr来推断ParamType和T这两个类型。这两个类型通常不同，因为ParamType会有const和引用等修饰。例如：

template<typename T>
void f(const T& param);      // ParamType is const T&

int x = 0;
f(x);      // call f with an int

这里，T 被推断成int，但是ParamType的类型是const T&。

直觉下T的类型应该和expr的一样，比如上面的例子中，expr和T的类型都是int。但是会有一些例外情况：T的类型不仅依赖expr，还依赖ParamType。总共分为三大类：

• ParamType是一个指针或者引用，但不是 universal reference(或者叫 forwarding references).
• ParamType是一个 universal reference。
• ParamType既不是指针也不是引用。

Case 1 : ParamType 是一个指针或者引用，但不是 universal reference

• 如果 expr是一个引用，忽略其引用部分。
• 比较 expr与 ParamType的类型来决定 T的类型。

T&

template<typename T>
void f(T& param);       // param is a reference

......
int x = 27;                  // x is an int
const int cx = x;       // cx is a const int
const int& rx = x;     // rx is a reference to x as a const int

// call f
f(x);            // T is int, param's type is int&
f(cx);          // T is const int,  param's type is const int&
f(rx);         // T is const int,  param's type is const int&

上面例子是左值引用，但是这点对右值引用也适用。注意第三点，const修饰符依旧保留。 这和普通函数的类似调用有区别：

void f(int &x){

}

...
const int x  = 10;
f(x);       // error

const T&

如果给ParamType加上const，情况也没有太大变化：

template<typename T>
void f(const T& param);        // param is now a ref-to-const

......
int x = 27;                // as before
const int cx = x;     // as before
const int& rx = x;    // as before

......
f(x);         // T is int, param's type is const int&
f(cx);     // T is int, param's type is const int&
f(rx);      // T is int, param's type is const int&

T*

改为指针也一样：

template<typename T>
void f(T* param); // param is now a pointer

......
int x = 27;
const int *px = &x;

f(&x);               // T is int, param's type is int*
f(px);              // T is const int, param's type is const int*

Case 2 : ParamType 是 Universal Reference

• 如果 expr是左值，那么 T和 ParamType会被推断为左值引用。
• 如果 expr是右值，那么就是 Case 1 的情况。

template<typename T>
void f(T&& param);       // param is now a universal reference

......
int x = 27;
const int cx = x;
const int& rx = x;

调用：

f(x);          // x is lvalue, so T is int&, param's type is also int&
f(cx);         // cx is lvalue, so T is const int&, param's type is also const int&
f(rx);        // rx is lvalue, so T is const int&, param's type is also const int&
f(27);        // 27 is rvalue, so T is int, param's type is therefore int&&

如果之前了解过完美转发和折叠引用的概念，结合 Case1，这一个规则还是比较好理解的。

注意区别 Universal Reference 与右值引用

这两点需要区分清楚，比如：

template<typename T>
void f(T&& param);           // universal reference


template<typename T>
void f(std::vector<T>&& param);       // rvalue reference

有一个通用规则 ：universal reference会有类型推断的过程。具体在后面的单独文章会讲，跟这篇文章的主题关系不大，这里稍微提一下 : )

Case 3 : ParamType 既不是指针也不是引用

这种情况就是 pass-by-value 的情况：

template<typename T>
void f(T param); // param is now passed by value

这意味着，param 是一个被拷贝的全新对象，也就是 param 决定着 T 的类型：

• 如果 expr是引用类型，忽略。
• 如果 expr带有 const、volatile，忽略。

int x = 27;
const int cx = x;
const int& rx = x;
f(x);         // T's and param's types are both int
f(cx);      // T's and param's types are again both int
f(rx);      // T's and param's types are still both int

忽略 const 和 volatile 也比较好理解：参数是值拷贝，所以形参和实参其实是互相独立的。正如下面代码可以将const int传递给int，但是声明为引用则不行：

void f(int x){

}

int main() {
  const int x  = 10;

  f(x);
}

注意忽略的 const 是针对参数本身的，而不针对指针指向的 const 对象：

template<typename T>
void f(T param);

......
const char* const ptr = "Fun with pointers";       // ptr is const pointer to const object
f(ptr);             // pass arg of type const char * const

这个按照值传递的是 ptr，所以 ptr 的 const 会被忽略，但是 ptr 指向的对象依然是 const。

数组作为参数

数组类型和指针类型是两种类型，但是有时候他们是可以互换的，比如在下面这种情况下，数组会 decay 成指针：

const char name[] = "J. P. Briggs";     // name's type is const char[13]
const char * ptrToName = name;       // array decays to pointer

在普通函数中，函数形参为数组类型和指针类型是等价的：

void myFunc(int param[]);
void myFunc1(int* param);         // same function as above

但是数组作为模板参数是比较特殊的一种情况。

ParamType 按值传递

template<typename T>
void f(T param); // template with by-value parameter

......
const char name[] = "J. P. Briggs";     // name's type is  const char[13]

f(name);           // name is array, but T deduced as const char*

这种情况下，T被推断为指针类型const char*.

ParamType 为引用类型

template<typename T>
void f(T& param);

......
const char name[] = "J. P. Briggs";     // name's type is  const char[13]
f(name);             // pass array to f

现在T被推断为数组类型const char [13]，ParamType为const char (&)[13]，这种情况是很特殊的，要与ParamType按值传递区分开。

我们可以利用上面这种特性定义一个模板来推断数组的大小，这种用法还蛮常见的：

template<typename T, std::size_t N>
constexpr std::size_t arraySize(T (&)[N]) noexcept  {
    return N;
}

......
int keyVals[] = { 1, 3, 7, 9, 11, 22, 35 };
std::array<int, arraySize(keyVals)> mappedVals;

函数作为参数

上面讨论的关于数组的情况同样适用于函数作为参数，函数类型同样也可以decay成函数指针：

void someFunc(int, double);        // someFunc is a function;type is void(int, double)
template <typename T> void f1(T param);     // in f1, param passed by value
template <typename T> void f2(T &param);    // in f2, param passed by ref
f1(someFunc);        // param deduced as ptr-to-func; type is void (*)(int, double)
f2(someFunc);      // param deduced as ref-to-func; type is void (&)(int, double)

不过这在平时应用中也没有太大差别。

（完）