C++11 std::move和std::forward

下文先从C++11引入的几个规则，如引用折叠、右值引用的特殊类型推断规则、static_cast的扩展功能说起，然后通过例子解析std::move和std::forward的推导解析过程，说明std::move和std::forward本质就是一个转换函数，std::move执行到右值的无条件转换，std::forward执行到右值的有条件转换，在参数都是右值时，二者就是等价的。其实std::move和std::forward就是在C++11基本规则之上封装的语法糖。

1 引用折叠

1. 在C++中，“引用的引用”是非法的。像auto& &rx = x;（注意两个&之间有空格）像这种直接定义引用的引用是不合法的，但是编译器在通过类型别名或模板参数推导等语境中，会间接定义出“引用的引用”，这时引用会形成“折叠”。

2. 引用折叠会发生在模板实例化、auto类型推导、创建和运用typedef和别名声明、以及decltype语境中。

2 引用折叠规则

2.1 规则

规则1（引用折叠规则）：如果间接的创建一个引用的引用，则这些引用就会“折叠”。在所有情况下（除了一个例外），引用折叠成一个普通的左值引用类型。一种特殊情况下，引用会折叠成右值引用，即右值引用的右值引用， T&& &&。即

• X& &、X& &&、X&& &都折叠成X&
• X&& &&折叠为X&&

规则2（右值引用的特殊类型推断规则）：当将一个左值传递给一个参数是右值引用的函数，且此右值引用指向模板类型参数(T&&)时，编译器推断模板参数类型为实参的左值引用，如

template 
void f(T&&);

int i = 42;
f(i)

上述的模板参数类型T将推断为int&类型，而非int。

若将规则1和规则2结合起来，则意味着可以传递一个左值int i给f，编译器将推断出T的类型为int&。再根据引用折叠规则 void f(int& &&)将推断为void f(int&)，因此，f将被实例化为: void f(int&)。

从上述两个规则可以得出结论：如果一个函数形参是一个指向模板类型的右值引用，则该参数可以被绑定到一个左值上，即类似下面的定义：

template 
void f(T&&);

规则3：虽然不能隐式的将一个左值转换为右值引用，但是可以通过static_cast显示地将一个左值转换为一个右值。【C++11中为static_cast新增的转换功能】。

规则总结：

（1）所有右值引用折叠到右值引用上仍然是一个右值引用。如X&& &&折叠为X&&。

（2）所有的其他引用类型之间的折叠都将变成左值引用。如X& &, X& &&, X&& &折叠为X&。可见左值引用会传染，沾上一个左值引用就变左值引用了。根本原因：在一处声明为左值，就说明该对象为持久对象，编译器就必须保证此对象可靠（左值）。

2.2 利用引用折叠进行万能引用初始化类型推导

（1）当万能引用（T&& param）绑定到左值时，由于万能引用也是一个引用，而左值只能绑定到左值引用。因此，T会被推导为T&类型。从而param的类型为T& &&，引用折叠后的类型为T&。
（2）当万能引用（T&& param）绑定到右值时，同理万能引用是一个引用，而右值只能绑定到右值引用上，故T会被推导为T类型。从而param的类型就是T&&（右值引用）。

3 std::move

3.1 std::move的使用

class Foo
{
public:
    std::string member;

    // Copy member.
    Foo(const std::string& m): member(m) {}

    // Move member.
    Foo(std::string&& m): member(std::move(m)) {}
};

上述Foo(std::string&& member)中的member是rvalue reference，但是member却是一个左值lvalue，因此在初始化列表中需要使用std::move将其转换成rvalue。

3.2 std::move()解析

标准库中move的定义如下：

template
typename remove_reference::type && move(T&& t)
{
    return static_cast::type &&>(t);
}

• move函数的参数T&&是一个指向模板类型参数的右值引用【规则2】，通过引用折叠，此参数可以和任何类型的实参匹配，因此move既可以传递一个左值，也可以传递一个右值；
• std::move(string("hello"))调用解析：
  • 首先，根据模板推断规则，确地T的类型为string;
  • typename remove_reference::type && 的结果为 string &&;
  • move函数的参数类型为string&&;
  • static_cast(t)，t已经是string&&，于是类型转换什么都不做，返回string &&;
• string s1("hello"); std::move(s1); 调用解析：
  • 首先，根据模板推断规则，确定T的类型为string&;
  • typename remove_reference::type && 的结果为 string&
  • move函数的参数类型为string& &&，引用折叠之后为string&;
  • static_cast(t)，t是string&，经过static_cast之后转换为string&&, 返回string &&;

从move的定义可以看出，move自身除了做一些参数的推断之外，返回右值引用本质上还是靠static_cast完成的。

因此下面两个调用是等价的，std::move就是个语法糖。

void func(int&& a)
{
    cout << a << endl;
}

int a = 6;
func(std::move(a));

int b = 10;
func(static_cast(b)); 

std::move执行到右值的无条件转换。就其本身而言，它没有move任何东西。

4 std::forward()

4.1 完美转发

完美转发实现了参数在传递过程中保持其值属性的功能，即若是左值，则传递之后仍然是左值，若是右值，则传递之后仍然是右值。

C++11 lets us perform perfect forwarding, which means that we can forward the parameters passed to a function template to another function call inside it without losing their own qualifiers (const-ref, ref, value, rvalue, etc.).

4.2 std::forward()解析

std::forward只有在它的参数绑定到一个右值上的时候，它才转换它的参数到一个右值。

class Foo
{
public:
    std::string member;

    template
    Foo(T&& member): member{std::forward(member)} {}
};

传递一个lvalue或者传递一个const lvaue

• 传递一个lvalue，模板推导之后 T = std::string&
• 传递一个const lvaue, 模板推导之后T = const std::string&
• T& &&将折叠为T&，即std::string& && 折叠为 std::string&
• 最终函数为: Foo(string& member): member{std::forward(member)} {}
• std::forward(member)将返回一个左值，最终调用拷贝构造函数

传递一个rvalue

• 传递一个rvalue，模板推导之后 T = std::string
• 最终函数为: Foo(string&& member): member{std::forward(member)} {}
• std::forward(member) 将返回一个右值，最终调用移动构造函数；

std::move和std::forward本质都是转换。std::move执行到右值的无条件转换。std::forward只有在它的参数绑定到一个右值上的时候，才转换它的参数到一个右值。

std::move没有move任何东西，std::forward没有转发任何东西。在运行期，它们没有做任何事情。它们没有产生需要执行的代码，一byte都没有。

5 std::move()和std::forward()对比

• std::move执行到右值的无条件转换。就其本身而言，它没有move任何东西。
• std::forward只有在它的参数绑定到一个右值上的时候，它才转换它的参数到一个右值。
• std::move和std::forward只不过就是执行类型转换的两个函数；std::move没有move任何东西，std::forward没有转发任何东西。在运行期，它们没有做任何事情。它们没有产生需要执行的代码，一byte都没有。
• std::forward()不仅可以保持左值或者右值不变，同时还可以保持const、Lreference、Rreference、validate等属性不变；

5 一个完整的例子

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

struct A
{
    A(int&& n)
    {
        cout << "rvalue overload, n=" << n << endl;
    }
    A(int& n)
    {
        cout << "lvalue overload, n=" << n << endl;
    }
};

class B
{
public:
    template
    B(T1 && t1, T2 && t2, T3 && t3) :
        a1_(std::forward(t1)),
        a2_(std::forward(t2)),
        a3_(std::forward(t3))
    {

    }
private:
    A a1_, a2_, a3_;
};

template 
std::unique_ptr make_unique1(U&& u)
{
    //return std::unique_ptr(new T(std::forward(u)));
    return std::unique_ptr(new T(std::move(u)));
}

template 
std::unique_ptr make_unique(U&&... u)
{
    //return std::unique_ptr(new T(std::forward(u)...));
    return std::unique_ptr(new T(std::move(u)...));
}

int main()
{
    auto p1 = make_unique1(2);

    int i = 10;
    auto p2 = make_unique1(i);

    int j = 100;
    auto p3 = make_unique(i, 2, j);
    return 0;
}

【本文编辑多次，在学习和实践过程中理解也逐渐加深，欢迎相互学习相互讨论】

参考

• Perfect Forwarding in C++11
• C++11: Perfect forwarding
• item 23: 理解std::move和std::forward