c++11-17 模板核心知識（五）—— 理解模板引數推導規則

張雅宸發表於2020-11-21
C++

首先我們定義一下本文通用的模板定義與呼叫：

template<typename T>
void f(ParamType param);

......
f(expr); // call f with some expression

在編譯階段使用expr來推斷ParamType和T這兩個型別。這兩個型別通常不同，因為ParamType會有const和引用等修飾。例如：

template<typename T>
void f(const T& param);      // ParamType is const T&

int x = 0;
f(x);      // call f with an int

這裡，T被推斷成int，但是ParamType的型別是const T&。

直覺下T的型別應該和expr的一樣，比如上面的例子中，expr和T的型別都是int。但是會有一些例外情況：T的型別不僅依賴expr，還依賴ParamType。總共分為三大類：

  • ParamType是一個指標或者引用，但不是universal reference(或者叫forwarding references).
  • ParamType是一個universal reference。
  • ParamType既不是指標也不是引用。

Case 1 : ParamType是一個指標或者引用，但不是universal reference

  • 如果expr是一個引用，忽略其引用部分。
  • 比較expr與ParamType的型別來決定T的型別。

T&

template<typename T>
void f(T& param);       // param is a reference

......
int x = 27;                  // x is an int
const int cx = x;       // cx is a const int
const int& rx = x;     // rx is a reference to x as a const int

// call f
f(x);            // T is int, param's type is int&
f(cx);          // T is const int,  param's type is const int&
f(rx);         // T is const int,  param's type is const int&

上面例子是左值引用，但是這點對右值引用也適用。
注意第三點，const修飾符依舊保留。 這和普通函式的類似呼叫有區別：

void f(int &x){

}

... 
const int x  = 10;
f(x);       // error

const T&

如果給ParamType加上const，情況也沒有太大變化：

template<typename T>
void f(const T& param);        // param is now a ref-to-const

......
int x = 27;                // as before
const int cx = x;     // as before
const int& rx = x;    // as before

......
f(x);         // T is int, param's type is const int&
f(cx);     // T is int, param's type is const int&
f(rx);      // T is int, param's type is const int&

T*

改為指標也一樣：

template<typename T>
void f(T* param); // param is now a pointer

......
int x = 27;                    
const int *px = &x;      

f(&x);               // T is int, param's type is int*
f(px);              // T is const int, param's type is const int*

Case 2 : ParamType是Universal Reference

  • 如果expr是左值，那麼T和ParamType會被推斷為左值引用。
  • 如果expr是右值，那麼就是Case 1的情況。
template<typename T>
void f(T&& param);       // param is now a universal reference

......
int x = 27;                
const int cx = x;    
const int& rx = x;

呼叫：

f(x);          // x is lvalue, so T is int&, param's type is also int&
f(cx);         // cx is lvalue, so T is const int&, param's type is also const int&
f(rx);        // rx is lvalue, so T is const int&, param's type is also const int&
f(27);        // 27 is rvalue, so T is int, param's type is therefore int&&

如果之前瞭解過完美轉發和摺疊引用的概念，結合Case1，這一個規則還是比較好理解的。

注意區別Universal Reference與右值引用

這兩點需要區分清楚，比如：

template<typename T>
void f(T&& param);           // universal reference


template<typename T>
void f(std::vector<T>&& param);       // rvalue reference

有一個通用規則 ： universal reference會有型別推斷的過程。具體在後面的單獨文章會講，跟這篇文章的主題關係不大，這裡稍微提一下 : )

Case 3 : ParamType既不是指標也不是引用

這種情況就是pass-by-value的情況：

template<typename T>
void f(T param); // param is now passed by value

這意味著，param是一個被拷貝的全新物件，也就是param決定著T的型別：

  • 如果expr是引用型別，忽略。
  • 如果expr帶有const、volatile，忽略。
int x = 27;
const int cx = x; 
const int& rx = x; 
f(x);         // T's and param's types are both int
f(cx);      // T's and param's types are again both int
f(rx);      // T's and param's types are still both int

忽略const和volatile也比較好理解：引數是值拷貝，所以形參和實參其實是互相獨立的。正如下面程式碼可以將const int傳遞給int，但是宣告為引用則不行：

void f(int x){

}

int main() {
  const int x  = 10;

  f(x);       
}

注意忽略的const是針對引數本身的，而不針對指標指向的const物件：

template<typename T>
void f(T param);

......
const char* const ptr = "Fun with pointers";       // ptr is const pointer to const object
f(ptr);             // pass arg of type const char * const

這個按照值傳遞的是ptr，所以ptr的const會被忽略，但是ptr指向的物件依然是const。

陣列作為引數

陣列型別和指標型別是兩種型別，但是有時候他們是可以互換的，比如在下面這種情況下，陣列會decay成指標：

const char name[] = "J. P. Briggs";     // name's type is const char[13]
const char * ptrToName = name;       // array decays to pointer

在普通函式中，函式形參為陣列型別和指標型別是等價的：

void myFunc(int param[]);
void myFunc1(int* param);         // same function as above

但是陣列作為模板引數是比較特殊的一種情況。

ParamType按值傳遞

template<typename T>
void f(T param); // template with by-value parameter

......
const char name[] = "J. P. Briggs";     // name's type is  const char[13]

f(name);           // name is array, but T deduced as const char*

這種情況下，T被推斷為指標型別const char*.

ParamType為引用型別

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

......
const char name[] = "J. P. Briggs";     // name's type is  const char[13]
f(name);             // pass array to f

現在T被推斷為陣列型別const char [13]，ParamType為const char (&)[13]，這種情況是很特殊的，要與ParamType按值傳遞區分開。

我們可以利用上面這種特性定義一個模板來推斷陣列的大小，這種用法還蠻常見的：

template<typename T, std::size_t N> 
constexpr std::size_t arraySize(T (&)[N]) noexcept  {
    return N;
}

......
int keyVals[] = { 1, 3, 7, 9, 11, 22, 35 };
std::array<int, arraySize(keyVals)> mappedVals;

image

函式作為引數

上面討論的關於陣列的情況同樣適用於函式作為引數，函式型別同樣也可以decay成函式指標：

void someFunc(int, double);        // someFunc is a function;type is void(int, double)
template <typename T> void f1(T param);     // in f1, param passed by value
template <typename T> void f2(T &param);    // in f2, param passed by ref
f1(someFunc);        // param deduced as ptr-to-func; type is void (*)(int, double)
f2(someFunc);      // param deduced as ref-to-func; type is void (&)(int, double)

不過這在平時應用中也沒有太大差別。

(完)

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