C++ 新特性 | C++ 11 | std::forward、万能引用与完美转发

概述

std::forward是C++11中引入的一个函数模板，用于实现完美转发。它的作用是根据传入的参数，决定将参数以左值引用还是右值引用的方式进行转发。

传统上，当一个左值传递给一个函数时，参数会以左值引用的方式进行传递；当一个右值传递给一个函数时，参数会以右值引用的方式进行传递。完美转发是为了解决传递参数时的临时对象（右值）被强制转换为左值的问题。std::forward实现完美转发主要用于以下场景：提高模板函数参数传递过程的转发效率。

一、std::forward、万能引用与完美转发

1、万能引用

对于形如T&&的变量或者参数，如果T可以进行推导，那么T&&称之为万能引用。换句话说，对于形如T&&的类型来说，其既可以绑定左值，又可以绑定右值，而这个的前提是T需要进行推导。最常见的万能引用方式如以下两种：

函数模板：

template<typename T>
void f(T&& param); // 存在类型推导，param是一个万能引用

auto类型推导：

auto&& var = var1; // 存在类型推导，var是一个万能引用

注意：只有当发生自动类型推断时（例如：函数模板的类型自动推导），T &&才是万能引用。下面一个示例中的&& 并不是一个万能引用，例如：

template<typename T>
void f( T&& param); // 这里T的类型需要推导，所以&&是一个 universal references

template<typename T>
class Test {
	Test(Test&& rhs);  // Test是一个特定的类型，不需要类型推导，所以&&表示右值引用  
};

2、类型推导

万能引用进行类型推导时需要推导出T&&中的T的真实类型：若传入的参数是一个左值，则T会被推导为左值引用；而如果传入的参数是一个右值，则T会被推导为原生类型（非引用类型）。

对于万能引用来说，条件之一就是类型推导，但是类型推导是万能引用的必要非充分条件，也就是说参数必须被声明为T&&形式不一定是万能引用。示例如下：

template<typename T>
void func(std::vector<T>&& t); // t是右值引用

调用func时会执行类型推导，但是参数t的类型声明的形式并非T &&而是std::vector &&。 之前强调过，万能引用必须是T &&才行，因此，t是一个右值引用，如果尝试将左值传入，编译器将会报错：

std::vector<int> v;
fun(v); // 编译错误，不能将左值绑定到右值

形如const T&&的方式也不是万能引用：

template<typename T>
void f(const T&& t); // t是右值引用

int main() {
  int a = 0;
  f(a); // 错误
}

3、引用折叠

引用折叠是一种特性，允许在模板元编程中使用引用类型的参数来创建新的引用类型。由于存在T&&这种万能引用类型，当它作为参数时，有可能被一个左值/左值引用或右值/右值引用的参数初始化，这需要通过类型推导，推导后得到的参数类型会发生类型变化，这种变化就称为引用折叠。

根本原因是因为C++中禁止reference to reference，所以编译器需要对四种情况（& &、& &&，&& &,&& &&）进行处理，将他们折叠成一种单一的reference。引用折叠的规则如下：如果两个引用中至少其中一个引用是左值引用，那么折叠结果就是左值引用；否则折叠结果就是右值引用。示例如下：

using T = int &;
T& r1;  // int& & r1 -> int& r1
T&& r2; // int& && r2 -> int& r2
  
using U = int &&;
U& r3;  // int&& & r3 -> int& r3
U&& r4; // int&& && r4 -> int&& r4

下面是一个具体的示例，可以看下对应的推导过程

template<typename T>
void func(T &&t) {
    cout << "hello world" << endl;
}

int main() {
    int a = 1;
    int &b = a;
    func(a); // T 推导成 int &; T && ==> int & && ==> int &
    func(b); // T 推导成 int &; T && ==> int & && ==> int &
    func(1); // T 推导成 int; T && ==> int &&
    func(std::move(a)); // T 推导成 int &&; T && ==> int && && ==> int &&
    return 0;
}

4、std::forward

完美转发是为了解决传递参数时的临时对象（右值）被强制转换为左值的问题，std::forward源码如下：

template<class T>
T&& forward(typename std::remove_reference<T>::type& t) noexcept {
  return static_cast<T&&>(t);
}

template <class T>
T&& forward(typename std::remove_reference<T>::type&& t) noexcept {
  return static_cast<T&&>(t);
}

其内部实现只有一行代码，即static_cast(t)使用static_cast<>进行类型转换，与std::move()实现方式类似。结合前面介绍的引用折叠，当接收一个左值作为参数时，std::forward<>()返回左值引用，相应的，当接收一个右值作为参数时，std::forward<>()返回右值引用。

版本一：没有实现完美转发

下面给出一个案例没有实现完美转发，如下：

#include 

template <typename T>
void wrapper(T u) {
    fun(u);
}

class MyClass {};

void fun(MyClass& a) { std::cout << "in fun(MyClass&)\n"; }
void fun(const MyClass& a) { std::cout << "in fun(const MyClass&)\n"; }
void fun(MyClass&& a) { std::cout << "in fun(MyClass &&)\n"; }

int main(void) {
    MyClass a;
    const MyClass b;

    fun(a);
    fun(b);
    fun(MyClass());

    std::cout << "----- Wrapper ------\n";
    wrapper(a);
    wrapper(b);
    wrapper(MyClass());

    return 0;
}

输出结果：

in func(MyClass&)
in func(const MyClass&)
in func(MyClass &&)
----- Wrapper ------
in func(MyClass&)
in func(const MyClass&)
in func(const MyClass&)

Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.253 s
Press any key to continue.

最后一行函数调用结果不符合预期，传入的是MyClass &&右值引用，预期调用fun(MyClass&& a)，实际上调用的却是fun(const MyClass& a)。调用wrapper函数时触发拷贝构造，基于右值创建了左值u（即：wrapper函数的参数），u的实际类型是const MyClass，匹配的是fun(const MyClass& a)

版本二：使用std::forward实现完美转发

使用万能引用和完美转发来修改前面的例子，如下：

#include 

template <typename T>
void wrapper(T &&u) { // 万能引用
    func(std::forward<T>(u)); // 完美转发
}

class MyClass {};

void func(MyClass& a) { std::cout << "in func(MyClass&)\n"; }
void func(const MyClass& a) { std::cout << "in func(const MyClass&)\n"; }
void func(MyClass&& a) { std::cout << "in func(MyClass &&)\n"; }

int main(void) {
    MyClass a;
    const MyClass b;

    func(a);
    func(b);
    func(MyClass());

    std::cout << "----- Wrapper ------\n";
    wrapper(a);
    wrapper(b);
    wrapper(MyClass());

    return 0;
}

输出结果：

in func(MyClass&)
in func(const MyClass&)
in func(MyClass &&)
----- Wrapper ------
in func(MyClass&)
in func(const MyClass&)
in func(MyClass &&)

Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.210 s
Press any key to continue.

输出结果符合预期，使用std::forward实现了完美转发。

注意：std::forward()建议仅用于模板函数，对于非模板的，因为不涉及到类型推导，所以使用完美转发是没有意义的。

https://mp.weixin.qq.com/s/bT–OIA7X8Uohxl_q1O98A