Effective Modern C++ 条款28 理解引用折叠

Posted 2020-08-06 大黄鸭xD

理解引用折叠

条款23提起过把一个实参传递给模板函数时，无论实参是左值还是右值，推断出来的模板参数都会含有编码信息。那条款没有提起，只有模板形参是通用引用时，这件事才会发生，不过对于这疏忽，理由很充分：条款24才介绍通用引用。把这些关于通用引用和左值/右值编码信息综合，意味着这个模板，

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

无论param是个左值还是右值，需要推断的模板参数T都会被编码。

编码技术是很简单的，当传递的实参是个左值时，T就被推断为一个左值引用，当传递的实参是个右值时，T就被推断为一个非引用类型。（注意这是不对称的：左值会编码为左值引用，但右值编码为非引用。）因此：

Widget widgetFactory();      // 返回右值的函数

Widget w;       // 一个变量，左值

func(w);      // 用左值调用函数，T被推断为Widget&

func(widgetFactory());     // 用右值调用函数，T被推断为Widget

两个func调用都是用Widget参数，不过一个Widget是左值，另一个是右值，从而导致了模板参数T被推断出不同的类型。这，正如我们将很快看到，是什么决定通用引用变成左值引用或右值引用的，而这也是std::forward完成工作所使用的内部技术。

在我们紧密关注std::forward和通用引用之前，我们必须注意到，在C++中对引用进行引用是不合法的。你可以尝试声明一个，你的编译器会严厉谴责加抗议：

int x;
...
auto& & rx = x;    // 报错！不可以声明对引用的引用

但想一想当一个左值被传递给接受通用引用的模板函数时：

template<typename T>
void func(T&& param);      // 如前

func(w);     // 用左值调用func，T被推断为Widget&

如果使用推断出来的T类型（即Widget&）实例化模板，我们得到这个：

void func(Widget& && param);

一个对引用的引用！然而你的编译器内有深刻谴责加抗议。我们从条款24知道，通用引用param用一个左值进行初始化，param的类型应该出一个左值引用，但编译器是如何推断T的类型的，还有是怎样把它替代成下面这个样子，哪一个才是最终的签名呢？

void func(Widget& param);

答案是引用折叠。是的，你是禁止声明对引用的引用，但编译器在特殊的上下文中可以产生它们，模板实例化就是其中之一。当编译器生成对引用的引用时，引用折叠指令就会随后执行。

有两种类型的引用（左值和右值），所以有4种可能的对引用引用的组合（左值对左值，左值对右值，右值对左值，右值对右值）。如果对引用的引用出现在被允许的上下文（例如，在模板实例化时），这个引用（即引用的引用，两个引用）会折叠成一个引用，根据的是下面的规则：

如果两个引用中有一个是左值引用，那么折叠的结果是一个左值引用。否则（即两个都是右值引用），折叠的结果是一个右值引用。

在我们上面的例子中，在函数func中把推断出来的类型Widget&替代T后，产生了一个对右值的左值引用，然后引用折叠规则告诉我们结果是个左值引用。

引用折叠是使std::forward工作的关键部分。就如条款25解释那样，对通用引用使用std::forward，是一种常见的情况，像这样：

template<typename T>
void f(T&& fParam)
{
    ...        // do some works

    someFunc(std::forward<T>(fParam));   // 把fParam转发到someFunc
}

因为fParam是一个通用引用，我们知道无论传递给函数f的实参（即用来初始化fParam的表达式）是左值还是右值，参数类型T都会被编码。std::forward的工作是，当且仅当传递给函数f的实参是个右值时，把fParam（左值）转换成一个右值。

这里是如何实现std::forward来完成工作：

template<typename T>          // 在命名空间std中
T&& forward(typename remove_reference<T>::type& param)
{
    return static_cast<T&&>(param);
}

这没有完全顺应标准库（我省略了一些接口细节），不过不同的部分是与理解std::forward如何工作无关。

假如传递给函数f的是个左值的Widget，T会被推断为Widget&，然后调用std::forward会让它实例化为std::forward<Widget&>。把Widget&加到std::forward的实现中，变成这样：

Widget& && forward(typename remove_reference<Widget&>::type& param)
{
    return static_cast<Widget& &&>(param);
}

remove_reference<Widget&>::type产生的是Widget，所以std::forward边冲这样：

Widget& && forward(Widget& param)
{    return static_cast<Widget& &&>(param);    }

在返回类型和cast中都会发生引用折叠，导致被调用的最终版本的std::forward：

Widget& forward(Widget& param)
{    return static_cast<Widget&>(param);    }

就如你所见，当一个左值被传递给模板函数f时，std::forward被实例化为接受一个左值引用和返回一个左值引用。std::forward内部的显式转换没有做任何东西，因为param的类型已经是Widget&了，所以这次转换没造成任何影响。一个左值实参被传递给std::forward，将会返回一个左值引用。根据定义，左值引用是左值，所以传递一个左值给std::forward，会导致std::forward返回一个左值，就跟它应该做的那样。

现在假设传递给函数f的是个右值的Widget。在这种情况下，函数f的类型参数T会被推断为Widget。因此f里面的std::forward会变成std::forward<Widget>。在std::forward的实现中用Widget代替T，像这样：

Widget&& forward(typename remove_reference<Widget>::type& param)
{
    return static_cast<Widget&&>(param);
}

对非引用Widget使用std::remove_reference会产生原来的类型（Widget），所以std::forward变成这样：

Widget&& forward(Widget& param)
{    return static_cast<Widget&&>(param);    }

这里没有对引用的引用，所以没有进行引用折叠，这也就这次std::forward调用的最终实例化版本。

由函数返回的右值引用被定义为右值，所以在这种情况下，std::forward会把f的参数fParam（一个左值）转换成一个右值。最终结果是传递给函数f的右值实参作为右值被转发到someFunc函数，这是顺理成章的事情。

在C++14中，std::remove_reference_t的存在可以让std::forward的实现变得更简洁：

template<typename T>      // C++14，在命名空间std中
T&& forward(remove_reference_t<T>& param)
{
    return static_cast<T&&>(param);
}

---

引用折叠出现在四种上下文。第一种是最常见的，就是模板实例化。第二种是auto变量的类型生成。它的细节本质上和模板实例化相同，因为auto变量的类型推断和模板类型推断本质上相同（看条款2）。再次看回之前的一个例子：

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

Widget widgetFactory();      // 返回右值的函数

Widget w;       // 一个变量，左值

func(w);      // 用左值调用函数，T被推断为Widget&

func(widgetFactory());     // 用右值调用函数，T被推断为Widget

这可以用auto形式模仿。这声明

auto&& w1 = w;

用个左值初始化w1，因此auto被推断为Widget&。在声明中用Widget&代替auto声明w1，产生这个对引用进行引用的代码，

Widget& && w1 = w;

这在引用折叠之后，变成

Widget& w1 = w;

结果是，w1是个左值引用。

另一方面，这个声明

auto&& w2 = widgetFactory();

用个右值初始化w2，导致auto被推断为无引用类型Widget，然后用Widget替代auto变成这样：

Widget&& w2 = widgetFactory();

这里没有对引用的引用，所以我们已经完成了，w2是个右值引用。

我们现在处于真正能理解条款24介绍通用引用的位置了。通用引用不是一种新的引用类型，实际上它是右值引用——在满足了下面两个条件的上下文中：

• 根据左值和右值来进行类型推断。T类型的左值使T被推断为T&，T类型的右值使T被推断为T。
• 发生引用折叠

通用引用的概念是很有用的，因为它让你免受：识别出存在引用折叠的上下文，弱智地根据左值和右值推断上下文，然后弱智地把推断出的类型代进上下文，最后使用引用折叠规则。

我说过有4中这样的上下文，不过我们只讨论了两种：模板实例化和auto类型生成。第三种上下文就是使用typedef和类型别名声明（看条款9）。如果，在typedef创建或者评估期间，出现了对引用的引用，引用折叠会出面消除它们。例如，假如我们有个类模板Widget，内部嵌有一个右值引用类型的typedef，

template<typename T>
class Widget {
public:
    typedef T&& RvalueRefToT;
    ...
};

然后假如我们用一个左值引用来实例化Widget：

Widget<int&> w;

在Widget中用int&代替T，typedef变成这样：

typedef int& && RvalueRefToT;

引用折叠把代码弄出这样：

type int& RvalueRefToT;

这很明显的告诉我们，我们typedef选择的名字跟我们期望得到的不一样：当用左值引用实例化Widget时，RvalueRefToT是个左值引用的typedef。

最后的一种会发生引用折叠的上下文是使用decltype中。如果，在分析一个使用decltype的类型期间，出现了对引用的引用，引用折叠会出面消除它。（关于decltype的详细信息，请看条款3。）

总结

需要记住的3点：

• 引用折叠会出现在4中上下文：模板实例化，auto类型生成，typedef和类型别名声明的创建和使用，decltype。
• 当编译器在一个引用折叠上下文中生成了对引用的引用时，结果会变成一个引用。如果原来的引用中有一个是左值引用，结果就是个左值引用。否则，结果是个右值引用。
• 通用引用是——出现在类型推断区分左值和右值和出现引用折叠的上下文中的——右值引用。