C++函数模板：掌握返回类型推导的艺术

C++函数模板：掌握返回类型推导的艺术

编译器推导返回类型

讨论 add() 函数模板的示例，让编译器推导返回值的类型确实是个好主意。然而，返回类型依赖于模板类型参数，那该如何实现呢？例如，考虑以下函数模板：

template <typename T1, typename T2>
RetType add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

在这个示例中，RetType 应该是表达式 t1 + t2 的类型，但你无法知道这一点，因为你不知道 T1 和 T2 是什么。

自动类型推导

自 C++14 起，你可以让编译器自动推导函数的返回类型。因此，你可以简单地将 add() 写成如下：

template <typename T1, typename T2>
auto add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

在 C++ 中，当使用 auto 关键字来推导函数返回值的类型时，它会自动去除表达式中的引用（reference）和 const 限定符。这意味着，如果函数的返回类型原本是一个引用或 const 类型，使用 auto 推导后，返回值将会失去这些属性。例如，如果原本返回的是一个 const 引用，使用 auto 推导后，返回值将仅是一个值，而非引用，并且也不再是 const 类型。

对于某些函数来说，这种去除引用和 const 的行为是可以接受的。例如，在 add() 函数模板中，如果使用 auto，这通常没问题，因为 operator+（加法运算符）一般返回一个新的对象，而不是引用或 const 对象。

然而，在其他一些情况下，可能需要保留函数返回值的原始属性，比如其为引用或 const 类型。在这些情况下，简单地使用 auto 来推导返回类型可能就不够理想了。因此，需要使用其他方法（使用 decltype(auto) 的函数模板）来确保函数返回值的原始属性被正确保留。

auto 与 decltype 的区别

考虑以下非模板示例，了解 auto 和 decltype 之间的差异：

const std::string message { "Test" };
const std::string& getString() { return message; }

auto s1 { getString() }; // s1 是 string 类型，进行了拷贝
const auto& s2 { getString() }; // s2 是对常量的引用
decltype(getString()) s3 { getString() }; // s3 是 const string& 类型
decltype(auto) s4 { getString() }; // s4 也是 const string& 类型

使用 decltype(auto) 的函数模板

有了这些知识，我们可以使用 decltype(auto) 来编写我们的 add() 函数模板，以避免去除任何 const 和引用限定符：

template <typename T1, typename T2>
decltype(auto) add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

C++14 之前的方法

在 C++14 之前，也就是在函数返回类型推导和 decltype(auto) 得到支持之前，问题是通过使用 decltype(expression) 来解决的，这是 C++11 引入的。例如，你可能会写出以下代码：

template <typename T1, typename T2>
decltype(t1 + t2) add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

然而，这是错误的。你在原型行的开头使用了 t1 和 t2，但这些参数还未知。t1 和 t2 在到达参数列表末尾时才变得已知。

这个问题曾经通过替代函数语法解决。注意，在这种语法中，auto 用于原型行的开头，而实际的返回类型在参数列表之后指定（尾随返回类型）；因此，参数的

名称（以及它们的类型，从而 t1 + t2 的类型）是已知的：

template<typename T1, typename T2>
auto add(const T1& t1, const T2& t2) -> decltype(t1 + t2) {
    return t1 + t2;
}

注意：现在 C++ 支持 auto 返回类型推导和 decltype(auto)，建议使用这些机制，而不是替代函数语法。

简化函数模板语法

C++20 的新特性

C++20 引入了一种简化的函数模板语法。再次回顾前面的 add() 函数模板。这里是推荐的版本：

template <typename T1, typename T2>
decltype(auto) add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

看这个示例，为了指定一个简单的函数模板，语法显得相当冗长。使用简化的函数模板语法，可以更优雅地写成如下：

decltype(auto) add(const auto& t1, const auto& t2) {
    return t1 + t2;
}

使用这种语法，不再需要 template<> 规范来指定模板参数。相反，以前在实现中使用的 T1 和 T2 类型现在被指定为 auto。这种简化的语法只是语法糖；编译器会自动将这种简化实现转换为更长的原始代码。基本上，每个被指定为 auto 的函数参数都成为一个模板类型参数。

需要注意的两个问题

1. 不同的模板类型参数：每个被指定为 auto 的参数都成为不同的模板类型参数。假设你有这样一个函数模板：

   template <typename T>
   decltype(auto) add(const T& t1, const T& t2) {
       return t1 + t2;
   }
   

   这个版本只有一个模板类型参数，而函数的两个参数 t1 和 t2 都是 const T& 类型。对于这样的函数模板，你不能使用简化语法，因为这将被转换为具有两个不同模板类型参数的函数模板。

2. 无法显式使用推导类型：你不能在函数模板的实现中显式使用这些自动推导的类型，因为这些自动推导的类型没有名称。如果你需要这样做，你要么需要继续使用普通的函数模板语法，要么使用 decltype() 来确定类型。

// C++50 中的 auto 使用
auto auto(auto... args) {
    return (... + args);
}