C++高级特性：万能引用、引用折叠与完美转发（七）

1、万能引用与引用折叠

1.1、普通引用

之前的学习中学习了左值、右值、左值引用、右值引用、常引用等，但是很可惜它们都必须搭配固定的类型导致它们受到一些限制

void test1()
{int a = 1, b = 2;int&  left_ref_var = a;
//    int&& right_ref_var = a;              // 报错, 右值引用只能引用右值//    int& left_ref_val = 1;                // 报错, 左值引用只能引用左值int&&  right_ref_val = 1;               int& left_ref_right = right_ref_val;    // 左值引用   引用   右值引用（右值引用本质也是左值）const int& const_left_ref_val = 1;      // 常量左值引用, 可以引用右值const int& const_left_ref_var = a;      // 常量左值引用, 也可以引用左值
//    const_left_ref_val = 2;               // 报错
//    const_left_ref_var = b;               // 报错const int* const const_ptr_const = &a;  // 常量左值引用的本质
}

上面这些例子很清楚的解释了上面的这些关键字的意思。
左值引用和右值引用都不够万能，而常量左值引用呢又不能修改，这就很头疼。
首先需要明确的一点：右值引用的虽然只能引用右值，但是它也是一个左值，因为它有地址所以是一个左值，因此左值引用可以引用右值引用（左值）

1.2、万能引用

而常量引用又不能修改，C++11中就开始提供一个万能引用的东西，跟&&一样，但是需要看它使用在什么地方。

void foo(int&& i) { }           // i为右值引用, 是一个左值
template<class T>
void bar(T&& t){    }           // t是一个万能引用
int get_val(){  return 5;}void test2()
{int&& x = get_val();            // x为右值引用auto&& y1 = 1;    // y为万能引用int a = 5;auto&& y2 = a;	std::cout << "y2 = " << y2 << ", &y2 = " << &y2 << std::endl;std::cout << " a = " << a << ",  &a = " << &a << std::endl;a = 10;std::cout << "y2 = " << y2 << ", &y2 = " << &y2 << std::endl;std::cout << " a = " << a << ",  &a = " << &a << std::endl;y2 = 123;std::cout << "y2 = " << y2 << ", &y2 = " << &y2 << std::endl;std::cout << " a = " << a << ",  &a = " << &a << std::endl;
}

在这里插入图片描述

万能引用：无论传入什么值还是引用都能够接收，并且确定其一个准确的类型，通过引用折叠的方式。

初始化的源对象如果是一个左值，则目标对象会推导出左值引用。
初始化的源对象如果是一个右值，则目标对象会推导出右值引用。

1.3、引用折叠

由于出现了万能引用，现在传入参数就会变得很复杂，一会传入左值一会传入右值，通过模版参数接手的时候，实际上编译器呢会进行引用折叠的一个操作

模板类型T	实际类型R	最终推导类型
T&	R	R&
T&	R&	R&
T&	R&&	R&
T&&	R	R&&
T&&	R&	R&
T&&	R&&	R&&

上面的表格中显示了引用折叠的推导规则，可以看出在整个推导过程中只要有左值引用参与进来，最后推倒的结果就是一个左值引用。
其实最难理解的是第三条：模板是T的左值引用，遇到R&&右值引用，推导的结果是一个左值引用。其原因是因为右值引用的本质也是一个左值，等价于了第一条…
如果模板是一个右值引用，那么凑满3个&减去2个&就是最终的类型。

2、完美转发

C++11中完美转发std::forward在万能引用的基础在进行优化，对于一个对象如果传入什么类型就按照什么类型进行转发。

举个例子：小明有一本书，但是小明不看，我特别想看，那么我有两种获取的办法：

拷贝构造：我去找小明把书接过来复印一份，然后再阅读（这就叫拷贝构造）
移动构造：我直接找小明把书拿过来，反正小明也不看。（这就叫移动构造）
但是现在我不确定小明是借给我复印（拷贝）还是直接借给我看（移动），这需要去问小明，然后小明怎么说我就这么做！
完美转发：我按照小明给我的方式（拷贝or移动）使用，这就叫完美转发！

2.1、完美转发的引入

给定下面一个这样的例子：

一个左值引用的func_push、一个右值引用的func_push函数，二者是重载的关系
然后定义一个模板函数func(T&& t)，给定万能引用T&& t类型，内部调用func_push函数
最后在外面测试传入效果

std::vector<std::string> v;
void func_push(const std::string& str)
{std::cout << "(const std::string& str)" << std::endl;v.push_back(str);}
void func_push(std::string&& str)
{std::cout << "(std::string&& str)" << std::endl;v.push_back(std::move(str));
}
template<class T>
void func(T&& t)
{func_push(t);
}void test3()
{std::string s = "123";func(s);func(std::move(s));         //std::move(s)是一个亡值表达式, 返回的是一个右值传入给func函数
}
/*		输出
(const std::string& str)
(const std::string& str)
*/

首先分析一下输出结果：
- func(s)：s是一个左值字符串，对于万能引用来说&& + & = &，因此引用折叠推导出是一个左值引用，调用左值引用的func_push
- func(std::move(s))：而这个东西就很有意思了，它也调用左值引用。
  - std::move(s)：这是一个亡值表达式，意思是移交s的所有权给func(T&& t)，也就是说它是右值
  - 此时对于万能引用来说&& + && ==> &&，引用折叠后推导出是一个右值引用，T&& t = std::move(s)。
  - 而根据上面结论：虽然t现在是一个右值引用，但是t也是一个左值的本质！因此还是会调用左值引用的func_push
那现在的结果就跟我们的需求背道而驰了啊，希望func(std::move(s))调用右值引用的func_push

而如果把func中的func_push(t);改为 ==> func_push(std::move(t));，那么结果又都调用了右值引用的func_push

template<class T>
void func(T&& t)
{
//    func_push(t);									// func_push(std::move(t));
}void test3()
{std::string s = "123";func(s);func(std::move(s));         
}
/*		输出
(std::string&& str)
(std::string&& str)
*/

这两份代码无论如何改，再不引入完美转发和类型转换之后是无法满足需求的。

2.2、完美转发

template<class T>
void func1(T&& t)
{
//    func_push(static_cast<T&&>(t));func_push(std::forward<T>(t));
}
void test4()
{std::string s = "123";func1(s);                               // 输出: (const std::string& str)func1(std::move(s));                    // 输出： (std::string&& str)std::string t;func1(std::move(t));                    // 输出： (std::string&& str)
}

forward：按照给定的参数的具体类型进行原样转发，不修改其左右值属性。
输出结果分析：
- func1(s);：s是一个左值，传给函数模板func1匹配的进行引用折叠，得到一个左值引用，左值引用本身也是一个左值，完美转发时按照左值进行转发。
- func1(std::move(s))：这里使用了移动语义，std::move(s)是一个亡值表达式，传入右值，经过引用折叠之后得到一个右值引用。此时重头戏来了：因为上面提到右值引用其实也是一个左值，但是使用完美转发后右值引用会按照右值转发！
- func1(std::move(t))：同上

原理解析：

std::forward完美转发的源码就下面这些

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);
}
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; 
};