C++右值引用万能引用完美转发和引用折叠
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C++右值引用万能引用完美转发和引用折叠相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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什么是左值，什么是右值？
（接下来我们将左值称为 lvalue，右值成为 rvalue）
左值通常指的是变量，或者说是可以放到等号左边的表达式。右值通常是常量、表达式或者函数返回值（临时对象）。
更加精简的说法是：
如果可以对一个表达式取地址，那这个表达式就是lvalue。
其他情况下，这个表达式就是一个rvalue。
举例子：
常见的左值的情况
int x=2,y=3;//x,y就为左值
++x;--y;//表达式为左值
const int& z = x;//z也为左值右值又可以分为两种情况：纯右值和将亡值
纯右值：基本类型（int，char等）的常量或者临时对象。
100,true//常量
x++,x+1//表达式将亡值：自定义类型的临时对象 和 函数返回对象类型的右值引用。
int&& fuc1(void)
return 100;
string fuc2(void)
string str = "hello";
return str;
int main()
fuc1();//函数返回值为右值引用
fuc2();//函数返回值为临时对象
//对对象类型右值引用的转换
void fuc3()
static_cast<int&&>(100);
std::move(100);
表达式的左右值与类型无关！
这里有两个概念，一个是值类别，一个是值类型。
值类别：对应着左值和右值的概念
值类型：数据类型。
例如：
int x = 100;
const int& y = x;
int&& z = 100;
此时x是的值类别为左值，值类型为int类型。
同理，y的值类别为左值，而值类型为const int&
注意：z的值类别也是左值，值类型为 int&&。
右值引用
正常的左值引用是无法引用右值的（常左值引用可以），所以需要右值引用去引用右值。
int main()
int x = 1,y = 2;
//左值引用
int a = 0;
int& b = a;
//左值引用不能引用右值，const左值引用可以，因为临时变量具有常性
const int& e = 10;
const int& f = x + y;
//右值引用
int&& c = 10;
int&& d = x + y;
//右值引用不能引用左值，但是可以引用move后的左值
int&& m = move(a);
return 0;
万能引用
万能意思就和表面的意思一样，即既可以引用左值，也可以引用右值。
万能引用的形式也是“&&”，所以说如何区分一个引用是右值引用还是万能引用？
总共有两种情况会出现万能引用
1、函数模板参数
template<typename T>
void fuc(T&& param); //此时为万能引用
2、auto声明
auto&& var2 = var1;//var2是一个万能引用
这两种存在共同的特点：都存在类型的推导。其实这两者可以归为一类，auto声明的变量的类型推导规则本质上和模板是一样的，所以使用auto的时候你也可能得到一个万能引用。
例如：
template<typename T>
void fuc1(T&& param); //此时为万能引用
void fuc2(int&& param);//没有类型推导
int main()
int x = 100;
fuc1(100);
fuc1(x);
return 0;
因为通用引用是引用，所以必须初始化。通用引用的初始化决定了它表示的是右值引用还是左值引用。fuc1(100)中100是右值，说明通用引用被一个右值初始化。fuc1(x)中x为左值，说明通用引用被一个左值初始化。
有几种情况不要弄混淆
1、引用必须得精确！
即一定得是T&&的形式
template<typename T>
void fuc(std::vector<T>&& param);
上面这个例子不具备T&& param的格式，而是vector<T>&& param的格式，所以只是一个普通的右值引用。
template<typename T>
void fuc(vector<T>&& param); //此时不是万能引用
int main
vector<int> v;//左值
fuc(v);//error...
fuc(vector<int>());//vector<int>()临时变量，右值
return 0;
注意：const T&&也会使得通用引用失效。
template<typename T>
void fuc(const T&& param);//此时为右值引用
2、模板内部的函数参数为T&&的形式，注意分辨清楚！
利用vector中的 push_back和emplace_back为例来说明这个情况。
template <class T, class Allocator = allocator<T> >
class vector
public:
...
void push_back(T&& x); // fully specified parameter type ⇒ no type deduction;
... // && ≡ rvalue reference
;
注意这种情况，虽然T&&是模板参数，但是此时这个参数是右值引用，原因是vector<T>这个类就已经知道T是什么类型了，此时对于void push_back(T&& x);中的T没必要再推导了，缺少万能应用推导的那一个环节。也就是说push_back依赖于vector的实例化，而实例化的类型就完全决定了push_back的函数声明。可以在看一下void push_back(T&& x);在类外面是如何定义的。
template <class T>
void vector<T>::push_back(T&& x);//依赖于vector<T>类vector模板实例化的过程：
以vector<string> vs;为例
template <class string, class Allocator = allocator<string> >
class vector
public:
...
void push_back(string&& x); // && ≡ rvalue reference
...
;
push_back并没有用到类型推导，直接取决于vector的实例化。
所以这也是为什么push_back有两个版本的原因。
与此相反，vector中另一个插入的函数emplace_back就可以实现类型的推导。
template <class T, class Allocator = allocator<T> >
class vector
public:
...
template <class... _Valty>
void emplace_back(_Valty&&... _val); // deduced parameter types ⇒ type deduction;
... // && ≡ universal references
;类型 _Valty 是独立于模板参数 T 的，所以每次调用emplace_back时，_val就需要推导一次，这就是它比较巧妙的地方。
template<class... Args>
void std::vector<string>::emplace_back(Args&&... args);看一下这两个的原码（msvc）
template<class... _Valty>
decltype(auto) emplace_back(_Valty&&... _Val)
// insert by perfectly forwarding into element at end, provide strong guarantee
if (_Has_unused_capacity())
return (_Emplace_back_with_unused_capacity(_STD forward<_Valty>(_Val)...));
_Ty& _Result = *_Emplace_reallocate(this->_Mylast(), _STD forward<_Valty>(_Val)...);
#if _HAS_CXX17
return (_Result);
#else /* ^^^ _HAS_CXX17 ^^^ // vvv !_HAS_CXX17 vvv */
(void)_Result;
#endif /* _HAS_CXX17 */
void push_back(const _Ty& _Val)
// insert element at end, provide strong guarantee
emplace_back(_Val);
void push_back(_Ty&& _Val)
// insert by moving into element at end, provide strong guarantee
emplace_back(_STD move(_Val));
可以看到在msvc下的push_back是基于emplace_back实现的。在这里，有两个比较重要的地方，一个是std::move 和 std::forward两个函数，放在后面的完美转发再讲。
引用折叠
在这里，其实是涉及到类型的推导，也就是去推模板参数中的 T 具体是什么类型，而且是针对通用引用场景下的类型的推导。
在通用引用下类型推倒的机制很简单：当实参是左值时，T的类型为左值引用，当传右值时，T被推导为非引用类型。
例如：
template<typename T>
void fuc(T&& param); //此时为万能引用
string str = "hello";
fuc(str);//T推导为 string&
fuc(string());//T推导为string
str 为左值，所以T的类型会被推到为string&，那么param的类型就为 string& &&，我们知道在C++里面引用的引用是非法的，例如int x = 100; auto& &y = x;
所以 string& &&这该如何解释呢？
引用折叠！
程序员是不能自己声明引用的引用，但是编译器可以在特定的上下文中生成，模板的实例化就是其中之一（另外还有三种情况），编译器生成的引用的引用就会触发引用折叠。
引用折叠的情况
由于引用有两种类型：左值引用&和右值引用&&，所以两两组合总共四种情况，分别是lvalue reference to lvalue reference, lvalue reference to rvalue reference, rvalue reference to lvalue reference, 以及 rvalue reference to rvalue reference。
引用折叠的规则：
如果两个引用中有任何一个是左值引用lvalue reference ，那么最终的结果一定是左值引用，否则就为右值引用。
所以上面的string& &&最终得到param的类型为string&。
template<typename T>
void fuc(T&& param); //此时为万能引用
int main()
int x = 100;
int& lx = x;
int&& rx = 100;
fuc(x);//T被推导为int&
fuc(lx);//T被推导为int&
fuc(rx);//T被推导为int&
return 0;
有些人会在上面的例子存在疑惑，这里的右值引用传进去为什么还是int&，其实在文章开头的时候就已经说过了，要区分值类别与值类型。虽然x，lx，rx的值类型都不相同，分别为int，int&，int&&，但是他们的值类别是相同的，都是lvalue。根据上面的规则左值对应的就是类型的引用。
除此之外，还有三种情况可能导致引用折叠
auto&&
auto本身类型推导与模板类型推导基本相同
string str = "hello";
auto&& lstr = str;//等价为 string& && lstr = str;
auto&& rstr = string();//等价为 string&& lstr = string();typedef
如下例子可以说明typedef场景也可能存在引用折叠的情况。
template<typename T>
class myclass
typedef T&& RvalueRfeType;
;
int main()
myclass<int&> mc;
myclass<int&> mc;此时将int& 带入模板可以得到
typedef int& && RvalueRfeType; 可以推出RvalueRfeType为一个左值引用 int&，所以并不是想象当中的右值引用，需要注意。
decltype
这里先留个坑，等到下次详细讲auto 与decltype时在回过来填坑。
完美转发
先看个例子
void fuc(int& param)//左值引用
cout << "lvalue reference" << endl;
void fuc(int&& param)//右值引用
cout << "rvalue reference" << endl;
template<typename T>
void PerfectFoward(T&& param)//通用引用
fuc(param);
;
int main()
PerfectFoward(100);//传一个右值
return 0;
输出结果：lvalue reference
传进来是个右值，为什么最终调用的却是fuc函数参数为左值引用 的版本呢？
捋一捋过程：
100是右值，模板类型的推导 T 为 int，然后param的类型就是 int&&，到这没问题，但是，忽略掉了此时的param为左值，那调用函数当然是去调用形参为左值引用版本的函数。
所以说，在传参的过程中，右值引用在第二次传递参数的过程中，右值属性会发生丢失，导致调用的都是左值引用的函数。
为了解决这个问题，引入完美转发。
template<typename T>
void PerfectFoward(T&& param)
fuc(forward<T>(param));//forward完美转发
;
forward的实现原理
底层源码：
template <typename T>
T&& forward(typename std::remove_reference<T>::type& param)
return static_cast<T&&>(param);
在这里面有一个东西 remove_reference，这个就比较有意思了。他的作用是移除T中的引用部分。也就是将T&和T&&变成T。
template<typename _Tp>
struct remove_reference
typedef _Tp type; ;
template<typename _Tp>
struct remove_reference<_Tp&>
typedef _Tp type; ;
template<typename _Tp>
struct remove_reference<_Tp&&>
typedef _Tp type; ;这里其实也是模板推导的一些知识（不懂得可以去看一下effective modern c++里面的条款1），正因为如此才可以把T里面的引用给去除掉。
（C++真的是语法让人又爱又恨，不得感叹有意思，但是就很麻烦）
在头文件<type_traits>中有各种各样的模板完成这种需求的转换工作，把这些叫做模板元编程（TMP），抱歉我不是一个牛叉的C++程序员。我要走的路还很长。
我们回过头来再来看看forward 的实现。
假设我们现在给一个左值，int x = 100。
template<typename T>
void PerfectFoward(T&& param)
fuc(forward<T>(param));//forward完美转发
;
int x = 100;
PerfectFoward(x);此时T的类型为int&，并将int& 传递给forward。再来看forward这里
int& && forward(typename std::remove_reference<int&>::type& param)
return static_cast<int& &&>(param);
remove_reference<int&>::type 会去除掉int& 中的&部分，所以返回值为int，那么引用折叠完之后最终得到的是：
int& forward(int& param)
return static_cast<int&>(param);
static_cast返回值为一个左值引用，此时static_cast啥也没做，保留了输入参数的左值属性。
当传递一个右值的时候
template<typename T>
void PerfectFoward(T&& param)
fuc(forward<T>(param));//forward完美转发
;
PerfectFoward(100);此时模板参数T被推导出为int，那么forward这里
int&& forward(int& param)
return static_cast<int&&>(param);
此时static_cast的返回值为int&&，在这篇文章开头讲过，函数返回值的右值引用是一个右值，转换成功，将一个左值param转换为一个右值，保留了最开始输入参数的右值属性。
与forward对应的是move函数
move函数就很直接，直接把任何类别的对象都转化为右值。
move的源码
template<typename _Tp> constexpr typename std::remove_reference<_Tp>::type&& move(_Tp&& __t) noexcept
return static_cast<typename std::remove_reference<_Tp>::type&&>(__t);
可以看到，不管怎样static_cast返回值都为右值。
注意move是一个掠夺的机制，所以需要小心，针对右值是没什么问题的，但是针对左值时就需要小心，effective modern c++中建议，对右值使用 move，对通用引用使用forward，根据前面所描述的，想必你们也想到了在通用引用中用move可能会存在什么问题。
讲了这么多，那么右值引用有什么用？
我认为移动构造和移动赋值
class String
public:
String(const char* str = " ")
_str = new char[strlen(str) + 1];
strcpy(_str, str);
String(const String& s)//左值版本
cout << "String(const String& s)-深拷贝" << endl;
_str = new char[strlen(s._str) + 1];
strcpy(_str, s._str);
~String()
delete[] _str;
private:
char* _str;
;
String fuc(const char* str)
String tmp(str);
return tmp;//返回的是临时对象
int main()
String s1("hello world");
String s2(s1);//参数是左值
String s3(fuc("临时对象-右值"));//临时对象，参数是右值-将亡值，用完就析构了
return 0;
对于这个右值，而且是将亡值，没有必要进行深拷贝，用完直接析构，所以考虑移动拷贝。
String(String&& s)//右值，将亡值
:_str(nullptr)//把空值交换，进行析构就没问题，随机值析构很危险
cout << "String(const String&& s)-移动拷贝" << endl;
swap(_str, s._str);
直接将空间进行交换，这样效率高。
参考的文章
现代C++之万能引用、完美转发、引用折叠 - 知乎 (zhihu.com)
《effective modern c++》
以上是关于C++右值引用万能引用完美转发和引用折叠的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章