模板参数的“右值引用”是转发引用

Posted 2020-11-27 jerry-fuyi

在C++11中，&&不再只有逻辑与的含义，还可能是右值引用：

void f(int&& i);

但也不尽然，&&还可能是转发引用：

template<typename T>
void g(T&& obj);

“转发引用”（forwarding reference）旧称“通用引用”（universal reference），它的“通用”之处在于你可以拿一个左值绑定给转发引用，但不能给右值引用：

void f(int&& i) { }

template<typename T>
void g(T&& obj) { }

int main()
{
    int n = 2;
    f(1);
//  f(n); // error
    g(1);
    g(n);
}

一个函数的参数要想成为转发引用，必须满足：

• 参数类型为T&&，没有const或volatile；

• T必须是该函数的模板参数。

换言之，以下函数的参数都不是转发引用：

template<typename T>
void f(const T&&);
template<typename T>
void g(typename std::remove_reference<T>&&);
template<typename T>
class A
{
    template<typename U>
    void h(T&&, const U&);
};

另一种情况是auto&&变量也可以成为转发引用：

auto&& vec = foo();

所以写范围for循环的最好方法是用auto&&：

std::vector<int> vec;
for (auto&& i : vec)
{
    // ...
}

有一个例外，当auto&&右边是初始化列表，如auto&& l = {1, 2, 3};时，该变量为std::initializer_list<int>&&类型。

转发引用，是用来转发的。只有当你的意图是转发参数时，才写转发引用T&&，否则最好把const T&和T&&写成重载（如果需要的话还可以写T&，还有不常用的const T&&；其中T是具体类型而非模板参数）。

转发一个转发引用需要用std::forward，定义在<utility>中：

#include <utility>

template<typename... Args>
void f(Args&&... args) { }

template<typename T>
void g(T&& obj)
{
    f(std::forward<T>(obj));
}

template<typename... Args>
void h(Args&&... args)
{
    f(std::forward<Args>(args)...);
}

调用g有几种可能的参数：

• int i = 1; g(i);，T为int&，调用g(int&)；

• const int j = 2; g(j);，T为const int&，调用g(const int&)；

• int k = 3; g(std::move(k));或g(4);，T为int（不是int&&哦！），调用g(int&&)。

你也许会疑惑，为什么std::move不需要<T>而std::forward需要呢？这得从std::forward的签名说起：

template<typename T>
constexpr T&& forward(std::remove_reference_t<T>&) noexcept;
template<typename T>
constexpr T&& forward(std::remove_reference_t<T>&&) noexcept;

调用std::forward时，编译器无法根据std::remove_reference_t<T>反推出T，从而实例化函数模板，因此<T>需要手动指明。

但是这并没有从根本上回答问题，或者可以进一步引出新的问题——为什么std::forward的参数不定义成T&&呢？

原因很简单，T&&会把T&、const T&、T&&和const T&&（以及对应的volatile）都吃掉，有了T&&以后，再写T&也没用。

且慢，T&&参数在传入函数是会匹配到T&&吗？

#include <iostream>
#include <utility>

void foo(int&)
{
    std::cout << "int&" << std::endl;
}

void foo(const int&)
{
    std::cout << "const int&" << std::endl;
}

void foo(int&&)
{
    std::cout << "int&&" << std::endl;
}

void bar(int&& i)
{
    foo(i);
}

int main()
{
    int i;
    bar(std::move(i));
}

不会！程序输出int&。在函数bar中，i是一个左值，其类型为int的右值引用。更直接一点，它有名字，所以它是左值。

因此，如果std::forward没有手动指定的模板参数，它将不能区分T&和T&&——那将是“糟糕转发”，而不是“完美转发”了。

最后分析一下std::forward的实现，以下代码来自libstdc++：

template<typename _Tp>
  constexpr _Tp&&
  forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type& __t) noexcept
  { return static_cast<_Tp&&>(__t); }

template<typename _Tp>
  constexpr _Tp&&
  forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type&& __t) noexcept
  {
    static_assert(!std::is_lvalue_reference<_Tp>::value, "template argument"
                  " substituting _Tp is an lvalue reference type");
    return static_cast<_Tp&&>(__t);
  }

• 当转发引用T&& obj绑定左值int&时，匹配第一个重载，_Tp即T为int&，返回类型_Tp&&为int&（引用折叠：& &、& &&、&& &都折叠为&，只有&& &&折叠为&&）；

• const int&同理；

• 当转发引用绑定右值int&&时，匹配第二个重载，_Tp为int，返回类型为int&&；

• const int&&同理。

综上，std::forward能完美转发。

程序员总是要在Stack Overflow上撞撞墙才能学会一点东西。