C++11尝鲜：std::move和std::forward源码分析

std::move和std::forward是C++0x中新增的标准库函数，分别用于实现移动语义和完美转发。
下面让我们分析一下这两个函数在gcc4.6中的具体实现。

预备知识

1. 引用折叠规则：
   X& + & => X&
   X&& + & => X&
   X& + && => X&
   X&& + && => X&&
   
2. 函数模板参数推导规则（右值引用参数部分）：
   当函数模板的模板参数为T而函数形参为T&&（右值引用）时适用本规则。
   若实参为左值 U& ，则模板参数 T 应推导为引用类型 U& 。
   （根据引用折叠规则， U& + && => U&， 而T&& ≡ U&，故T ≡ U& ）
   若实参为右值 U&& ，则模板参数 T 应推导为非引用类型 U 。
   （根据引用折叠规则， U或U&& + && => U&&， 而T&& ≡ U&&，故T ≡ U或U&&，这里强制规定T ≡ U ）
   
3. std::remove_reference为C++0x标准库中的元函数，其功能为去除类型中的引用。
   std::remove_reference::type ≡ U
   std::remove_reference::type ≡ U
   std::remove_reference::type ≡ U
   
4. 以下语法形式将把表达式 t 转换为T类型的右值（准确的说是无名右值引用，是右值的一种）
   static_cast(t)
5. 无名的右值引用是右值
   具名的右值引用是左值。
6. 注：本文中 ≡ 含义为“即，等价于“。
   

std::move

函数功能

std::move(t) 负责将表达式 t 转换为右值，使用这一转换意味着你不再关心 t 的内容，它可以通过被移动（窃取）来解决移动语意问题。

源码与测试代码

  template
    inline typename std::remove_reference<_Tp>::type&&
    move(_Tp&& __t)
    { return static_cast::type&&>(__t); }

#include
using namespace std;

struct X {};

int main()
{
	X a;
	X&& b = move(a);
	X&& c = move(X());
}

代码说明

1. 测试代码第9行用X类型的左值 a 来测试move函数，根据标准X类型的右值引用 b 只能绑定X类型的右值，所以 move(a) 的返回值必然是X类型的右值。
2. 测试代码第10行用X类型的右值 X() 来测试move函数，根据标准X类型的右值引用 c 只能绑定X类型的右值，所以 move(X()) 的返回值必然是X类型的右值。
3. 首先我们来分析 move(a) 这种用左值参数来调用move函数的情况。
4. 模拟单步调用来到源码第3行，_Tp&& ≡ X&, __t  ≡ a 。
   
5. 根据函数模板参数推导规则，_Tp&& ≡ X& 可推出 _Tp ≡ X& 。
   
6. typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。
   typename std::remove_reference<_Tp>::type&& ≡ X&& 。
7. 再次单步调用进入move函数实体所在的源码第4行。
8. static_cast::type&&>(__t) ≡ static_cast(a)
9. 根据标准 static_cast(a) 将把左值 a 转换为X类型的无名右值引用。
10. 然后我们再来分析 move(X()) 这种用右值参数来调用move函数的情况。
11. 模拟单步调用来到源码第3行，_Tp&& ≡ X&&, __t  ≡ X() 。
12. 根据函数模板参数推导规则，_Tp&& ≡ X&& 可推出 _Tp ≡ X 。
    
13. typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。
    typename std::remove_reference<_Tp>::type&& ≡ X&& 。
14. 再次单步调用进入move函数实体所在的源码第4行。
15. static_cast::type&&>(__t) ≡ static_cast(X())
16. 根据标准 static_cast(X()) 将把右值 X() 转换为X类型的无名右值引用。
17. 由9和16可知源码中std::move函数的具体实现符合标准，
    因为无论用左值a还是右值X()做参数来调用std::move函数，
    该实现都将返回无名的右值引用（右值的一种），符合标准中该函数的定义。

std::forward

函数功能

std::forward(u) 有两个参数：T 与 u。当T为左值引用类型时，u将被转换为T类型的左值，否则u将被转换为T类型右值。如此定义std::forward是为了在使用右值引用参数的函数模板中解决参数的完美转发问题。

源码与测试代码

  /// forward (as per N3143)
  template
    inline _Tp&&
    forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type& __t) 
    { return static_cast<_Tp&&>(__t); }

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

#include
using namespace std;

struct X {};
void inner(const X&) {cout << "inner(const X&)" << endl;}
void inner(X&&) {cout << "inner(X&&)" << endl;}
template
void outer(T&& t) {inner(forward(t));}

int main()
{
	X a;
	outer(a);
	outer(X());
	inner(forward(X()));
}
//inner(const X&)
//inner(X&&)
//inner(X&&)

代码说明

1. 测试代码第13行用X类型的左值 a 来测试forward函数，程序输出表明 outer(a) 调用的是 inner(const X&) 版本，从而证明函数模板outer调用forward函数在将参数左值 a 转发给了inner函数时，成功地保留了参数 a 的左值属性。
2. 测试代码第14行用X类型的右值 X() 来测试forward函数，程序输出表明 outer(X()) 调用的是 inner(X&&) 版本，从而证明函数模板outer调用forward函数在将参数右值 X() 转发给了inner函数时，成功地保留了参数 X() 的右值属性。
3. 首先我们来分析 outer(a) 这种调用forward函数转发左值参数的情况。
4. 模拟单步调用来到测试代码第8行，T&& ≡ X&, t  ≡ a 。
   
5. 根据函数模板参数推导规则，T&& ≡ X& 可推出 T ≡ X& 。
   
6. forward(t) ≡ forward(t)，其中 t 为指向 a 的左值引用。
   
7. 再次单步调用进入forward函数实体所在的源码第4行或第9行。
   
8. 先尝试匹配源码第4行的forward函数，_Tp ≡ X& 。
9. typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。
   typename std::remove_reference<_Tp>::type& ≡ X& 。
10. 形参 __t  与实参 t 类型相同，因此函数匹配成功。
11. 再尝试匹配源码第9行的forward函数，_Tp ≡ X& 。
12. typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。
    typename std::remove_reference<_Tp>::type&& ≡ X&& 。
13. 形参 __t  与实参 t 类型不同，因此函数匹配失败。
14. 由10与13可知7单步调用实际进入的是源码第4行的forward函数。
15. static_cast<_Tp&&>(__t) ≡ static_cast(t) ≡ a。
16. inner(forward(t)) ≡ inner(static_cast(t)) ≡ inner(a) 。
17. outer(a) ≡ inner(forward(t)) ≡ inner(a)
    再次单步调用将进入测试代码第5行的inner(const X&) 版本，左值参数转发成功。
18. 然后我们来分析 outer(X()) 这种调用forward函数转发右值参数的情况。
19. 模拟单步调用来到测试代码第8行，T&& ≡ X&&, t  ≡ X() 。
20. 根据函数模板参数推导规则，T&& ≡ X&& 可推出 T ≡ X 。
    
21. forward(t) ≡ forward(t)，其中 t 为指向 X() 的右值引用。
    
22. 再次单步调用进入forward函数实体所在的源码第4行或第9行。
23. 先尝试匹配源码第4行的forward函数，_Tp ≡ X 。
24. typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。
    typename std::remove_reference<_Tp>::type& ≡ X& 。
25. 形参 __t  与实参 t 类型相同，因此函数匹配成功。
26. 再尝试匹配源码第9行的forward函数，_Tp ≡ X 。
27. typename std::remove_reference<_Tp>::type ≡ X 。
    typename std::remove_reference<_Tp>::type&& ≡ X&& 。
28. 形参 __t  与实参 t 类型不同，因此函数匹配失败。
29. 由25与28可知22单步调用实际进入的仍然是源码第4行的forward函数。
    
30. static_cast<_Tp&&>(__t) ≡ static_cast(t) ≡ X()。
31. inner(forward(t)) ≡ inner(static_cast(t))  ≡ inner(X())。
32. outer(X()) ≡ inner(forward(t)) ≡ inner(X())
    再次单步调用将进入测试代码第6行的inner(X&&) 版本，右值参数转发成功。
    
33. 由17和32可知源码中std::forward函数的具体实现符合标准，
    因为无论用左值a还是右值X()做参数来调用带有右值引用参数的函数模板outer，
    只要在outer函数内使用std::forward函数转发参数，
    就能保留参数的左右值属性，从而实现了函数模板参数的完美转发。