C/C++学习记录：std::forward 源码分析 / 完美转发的作用

Posted 2021-10-28 河边小咸鱼

• 抽空扣一点感兴趣的标准库源码，这里总结一下 std::forward() 相关的分析
• 本文中 gcc version: 8.4.1 20200928 (Red Hat 8.4.1-1) (GCC)
• 其中c++库安装路径为 /usr/include/c++/8

目录

• 一、前言
• 二、源码与分析
• • 1. std::forward 源码总览
  • 2. std::forward 分析
• 三、完美转发
• 四、总结

一、前言

  本文是基于前文 C/C++学习记录：std::move 源码分析 进行的。前文中分析了 std::move 的源码，其中涉及到的一些东西，比如说：

1. 类型提取结构体 std::remove_reference
2. C++标准转换运算符 static_cast
3. 引用折叠的概念

  上面这三个东西在 std::forward() 中也有应用，因此在本文中也就不过多分析，这些东西的分析在上文中均可找到。点我跳转

  本文中仅记录上文中未提及的关于 std::forward() 的思路和写法，以及个人对完美转发这一概念的理解。
 

二、源码与分析

1. std::forward 源码总览

  std::forward() 的定义位于 /usr/include/c++/8/bits/move.h 中，详细内容如下：

  可以看到在源码中，函数 std::forward 有两种实现，差别在于传参的类型，前者接收的传参是一个左值，而后者接收的传参是一个右值。另外在传右值的版本中存在一个静态断言，这也算是两者的区别之一吧。
 

2. std::forward 分析

  还是先代入不同的类型来化简 std::forward 函数。
  当模板类型 _Tp 为 string& 时，即 string 的左值引用时，std::forward 可以化简为如下形式：

    //string& && 引用折叠为 string&
    //std::remove_reference 提取出的类型为string
    string&
    forward(string& __t)
    { return static_cast<string&>(__t); }

    string&
    forward(string&& __t)
    {
      //此处静态断言忽略
      return static_cast<string&>(__t);
    }

  而当模板类型 _Tp 为 string&& 时，即 string 的右值引用时，std::forward 可以化简为如下形式：

    //string&& && 引用折叠为 string&&
    //std::remove_reference 提取出的类型为string
    string&&
    forward(string& __t)
    { return static_cast<string&&>(__t); }

    string&&
    forward(string&& __t)
    {
      //此处静态断言忽略
      return static_cast<string&&>(__t);
    }

  可以看到，当传入类型为左值引用时，返回值为 string& : return static_cast<string&>(__t);；当传入类型为右值引用时，返回值为 string&& : return static_cast<string&&>(__t);。这就实现了 std::forward 的功能，即完美转发。简单点来讲就是传入左值返回还是左值，传入右值返回还是右值，保持原来的值属性不变。std::forward 就相当于一个转发点，可以将类型原封不动的转发走。
 

三、完美转发

  上文中说到 std::forward 的功能，即完美转发。那么，何时需要它的存在呢？

通过下面这个例子我觉得可以很好的说明：

执行结果如下：

  可以看到，当传参为左值时，直接转发和完美转发的结果都是左值，是正确的。但是当传参是右值时，直接转发和完美转发的结果却不同了。
  分析其原因，当一个右值作为传参被传入后，函数内便会分配栈空间来保存传参。此时的右值已经被传参中的变量名所指向，所以再次传入此右值时，实际传入的是指向它的变量名，即一个左值。所以会出现上图中传参为右值但是直接转发却为左值的情况。
  std::forward 完美转发的大致应用场景便是上面那种，当存在中间转发点时，如果想要保持原来类型，则可以使用 std::forward 来实现。比如写一个筛选站，符合条件放 vector1 里，不符合放 vector2 里，总所周知 vector 在 push_back 右值的时候会调用 emplace_back，它可以直接拿走右值，提高效率。所以为了可以正确的把右值push进去，就得使用std::forward 来进行完美转发。
 

四、总结

  总的来说，std::forward 可以说是对模板、引用折叠特性的一个巧妙利用。它和 std::move 的思路上有很大的相似之处，实现上也可以说是很相似。
  之前说实话，对模板用的并不算太多，仅仅实现了一些小东西。但是目前管中窥豹，了解了自己对于模板方面的不足，之后应该会写一些东西来熟悉，比如说尽力按STL标准写个跳表之类的。总之在模板方面还是有很大的进步空间。