引用摺疊和完美轉發

ReFantasy發表於2018-11-27

閱讀本文需要具有的預備知識：

  • 左值和右值的基本概念
  • 模板推導的基本規則
  • 若無特殊說明，本文中的大寫字母T泛指任意的資料型別

引用摺疊

我們把 引用摺疊 拆解為 引用和 摺疊 兩個短語來解釋。

首先，引用的意思眾所周知，當我們使用某個物件的別名的時候就好像直接使用了該物件，這也就是引用的含義。在C++11中，新加入了右值的概念。所以引用的型別就有兩種形式：左值引用T&和右值引用T&&。

其次，解釋一下摺疊的含義。所謂的摺疊，就是多個的意思。上面介紹引用分為左值引用和右值引用兩種，那麼將這兩種型別進行排列組合，就有四種情況：

  • 左值-左值 T& &
  • 左值-右值 T& &&
  • 右值-左值 T&& &
  • 右值-右值 T&& &&

這就是所謂的引用摺疊！引用摺疊的含義到這裡就結束了。

但是，當我們在IDE中敲下類似這樣的程式碼：

// ...
int a = 0;
int &ra = a;
int & &rra = ra;  // 編譯器報錯：不允許使用引用的引用！
// ...

WTF ! 既然不允許使用，為啥還要有引用摺疊這樣的概念存在 ？!

原因就是：引用摺疊的應用場景不在這裡！！

下面我們介紹引用摺疊在模板中的應用：完美轉發。在介紹完美轉發之前，我們先介紹一下萬能引用。

萬能引用

所謂的萬能引用並不是C++的語法特性，而是我們利用現有的C++語法，自己實現的一個功能。因為這個功能既能接受左值型別的引數，也能接受右值型別的引數。所以叫做萬能引用。

萬能引用的形式如下：

template<typename T>
ReturnType Function(T&& parem)
{
    // 函式功能實現
}

接下來，我們看一下為什麼上面這個函式能萬能引用不同型別的引數。

為了更加直觀的看到效果，我們藉助Boost庫的部分功能，重寫我們的萬能引用函式：

如果不瞭解Boost庫也沒關係，Boost庫主要是為了幫助大家看到模板裡引數型別）

#include <iostream>
#include <boost/type_index.hpp>

using namespace std;
using boost::typeindex::type_id_with_cvr;  

template<typename T>
void PrintType(T&& param)
{
    // 利用Boost庫列印模板推匯出來的 T 型別
    cout << "T type：" << type_id_with_cvr<T>().pretty_name() << endl; 
    
    // 利用Boost庫列印形參的型別
    cout << "param type:" << type_id_with_cvr<decltype(param)>().pretty_name() << endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 0;                              // 左值
    PrintType(a);                           // 傳入左值

    int &lvalue_refence_a = a;              // 左值引用
    PrintType(lvalue_refence_a);            // 傳入左值引用

    PrintType(int(2));                      // 傳入右值
}

通過上面的程式碼可以清楚的看到，void PrintType(T&& param)可以接受任何型別的引數。嗯，真的是萬能引用！到這裡的話，萬能引用的介紹也就結束了。但是我們只看到了這個東西可以接受任何的引數，卻不知道為什麼它能這麼做。

下面，我們來仔細觀察並分析一下main函式中對PrintType()的各個呼叫結果。

  1. 傳入左值：

    int a = 0;                              // 左值
PrintType(a);                           // 傳入左值
/***************************************************/
輸出：T type      : int &
      param type  : int &

    我們將T的推導型別int&帶入模板，得到例項化的型別：

    void PrintType(int& && param)
{
   // ...
}

    重點來了！編譯器將T推導為 int& 型別。當我們用 int& 替換掉 T 後，得到 int & &&。

    MD，編譯器不允許我們自己把程式碼寫成int& &&，它自己卻這麼幹了 =。=

    那麼 int & &&到底是個什麼東西呢？！（它是引用摺疊，剛開始就說了啊 =。=）

    下面，就是引用摺疊的精髓了。

    所有的引用摺疊最終都代表一個引用，要麼是左值引用，要麼是右值引用。

    規則就是：

    如果任一引用為左值引用，則結果為左值引用。否則（即兩個都是右值引用），結果為右值引用。

    ​ 《Effective Modern C++》

    也就是說，int& &&等價於int &。void PrintType(int& && param) == void PrintType(int& param)

    所以傳入右值之後，函式模板推導的最終版本就是：

    void PrintType(int& param)
{
   // ...
}

    所以，它能接受一個左值a。

    現在我們重新整理一下思路：編譯器不允許我們寫下類似int & &&這樣的程式碼，但是它自己卻可以推匯出int & &&程式碼出來。它的理由就是：我(編譯器)雖然推匯出T為int&，但是我在最終生成的程式碼中，利用引用摺疊規則，將int & &&等價生成了int &。推匯出來的int & &&只是過渡階段，最終版本並不存在。所以也不算破壞規定咯。

    關於有的人會問，我傳入的是一個左值a,並不是一個左值引用，為什麼編譯器會推匯出T 為int &呢。

    首先，模板函式引數為 T&& param,也就是說，不管T是什麼型別，T&&的最終結果必然是一個引用型別。如果T是int, 那麼T&& 就是 int &&；如果T為 int &，那麼 T &&(int& &&) 就是&，如果T為&&,那麼T &&(&& &&) 就是&&。很明顯，接受左值的話，T只能推導為int &。

    1. 明白傳入左值的推導結果，剩下的幾個呼叫結果就很明顯了：
    int &lvalue_refence_a = a;              //左值引用
PrintType(lvalue_refence_a);            // 傳入左值引用
/*
 * T type      : int &
 * T &&        : int & &&
 * param type  : int &
*/

PrintType(int(2));                      // 傳入右值
/*
 * T type      : int
 * T &&        : int &&
 * param type  : int &&
*/

    以上就是萬能引用的全部了。總結一下，萬能引用就是利用模板推導和引用摺疊的相關規則，生成不同的例項化模板來接收傳進來的引數。

完美轉發

好了，有了萬能引用。當我們既需要接收左值型別，又需要接收右值型別的時候，再也不用分開寫兩個過載函式了。那麼，什麼情況下，我們需要一個函式，既能接收左值，又能接收右值呢？

答案就是：轉發的時候。

於是，我們馬上想到了萬能引用。又於是興沖沖的改寫了以上的程式碼如下：

/*
 *  Boost庫在這裡已經不需要了，我們將其拿掉，可以更簡潔的看清楚轉發的程式碼實現
 */

#include <iostream>
using namespace std;

// 萬能引用，轉發接收到的引數 param
template<typename T>
void PrintType(T&& param)
{
    f(param);  // 將引數param轉發給函式 void f()
}

// 接收左值的函式 f()
template<typename T>
void f(T &)
{
    cout << "f(T &)" << endl;
}

// 接收右值的函式f()
template<typename T>
void f(T &&)
{
    cout << "f(T &&)" << endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 0;
    PrintType(a);//傳入左值
    PrintType(int(0));//傳入右值
}

我們執行上面的程式碼，按照預想，在main中我們給 PrintType 分別傳入一個左值和一個右值。PrintType將引數轉發給 f() 函式。f()有兩個過載，分別接收左值和右值。

正常的情況下,PrintType(a);應該列印f(T&),PrintType(int());應該列印f(T&&)。

但是，真實的輸出結果是

f(T &);
f(T &);

為什麼明明傳入了不同型別的值，但是void f()函式只呼叫了void f(int &)的版本。這說明，不管我們傳入的引數型別是什麼，在void PrintType(T&& param)函式的內部，param都是一個左值引用！

沒錯，事實就是這樣。當外部傳入引數給 PrintType 函式時，param既可以被初始化為左值引用，也可以被初始化為右值引用，取決於我們傳遞給 PrintType 函式的實參型別。但是，當我們在函式 PrintType 內部，將param傳遞給另一個函式的時候，此時，param是被當作左值進行傳遞的。 應為這裡的 param 是個具名的物件。我們不進行詳細的探討了。大家只需要己住，任何的函式內部，對形參的直接使用，都是按照左值進行的。

WTF，萬能引用內部形參都變成了左值！那我還要什麼萬能引用啊！直接改為左值引用不就好了！！

別急，我們可以通過一些其它的手段改變這個情況，比如使用 std::forward 。

在萬能引用的一節，我們應該有所感覺了。使用萬能引用的時候，如果傳入的實參是個右值(包括右值引用)，那麼，模板型別 T 被推導為 實參的型別（沒有引用屬性），如果傳入實參是個左值，T被推導為左值引用。也就是說，模板中的 T 儲存著傳遞進來的實參的資訊，我們可以利用 T 的資訊來強制型別轉換我們的 param 使它和實參的型別一致。

具體的做法就是，將模板函式void PrintType(T&& param)中對f(param)的呼叫，改為f(std::forward<T>(param));然後重新執行一下程式。輸出如下：

f(T &);
f(T &&);

嗯，完美的轉發！

那麼，std::forward是怎麼利用到 T 的資訊的呢。

std::forward的原始碼形式大致是這樣：

/*
 *  精簡了標準庫的程式碼，在細節上可能不完全正確，但是足以讓我們瞭解轉發函式 forward 的了
 */ 

template<typename T>
T&& forward(T &param)
{
    return static_cast<T&&>(param);
}

我們來仔細分析一下這段程式碼：

我們可以看到，不管T是值型別，還是左值引用，還是右值引用，T&經過引用摺疊，都將是左值引用型別。也就是forward 以左值引用的形式接收引數 param, 然後 通過將param進行強制型別轉換 static_cast<T&&> （），最終再以一個 T&&返回

所以，我們分析一下傳遞給 PrintType 的實參型別，並將推導的 T 型別代入 forward 就可以知道轉發的結果了。

  1. 傳入 PrintType 實參是右值型別：

    根據以上的分析，可以知道T將被推導為值型別，也就是不帶有引用屬性，假設為 int 。那麼，將T = int 帶入forward。

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

    param在forward內被強制型別轉換為 int &&(static_cast<int&&>(param)), 然後按照int && 返回，兩個右值引用最終還是右值引用。最終保持了實參的右值屬性，轉發正確。

  2. 傳入 PrintType 實參是左值型別：

    根據以上的分析，可以知道T將被推導為左值引用型別，假設為int&。那麼，將T = int& 帶入forward。

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

    引用摺疊一下就是：

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

    看到這裡，我想就不用再多說什麼了。傳遞給 PrintType 左值，forward返回一個左值引用，保留了實參的左值屬性，轉發正確。

到這裡，完美轉發也就介紹完畢了。

總結一下就是，通過引用摺疊，我們實現了萬能模板。在萬能模板內部，利用forward函式，本質上是又利用了一遍引用摺疊，實現了完美轉發。其中，模板推導扮演了至關重要的角色。

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