C++
January 20, 2019

C++中的万能引用和完美转发

C++中的万能引用和完美转发

  1. 阅读这篇博文需要了解C++中的左值（lvalue）和右值（rvalue）的概念，详情参见我的另外一篇博文：C++移动语义及拷贝优化
  2. 万能引用和完美转发多涉及到模板的使用，如若不是自己写模板，则可不用关心

万能引用（Universal Reference）

首先，我们来看一个例子：

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#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;


template<typename T>
void func(T& param) {
    cout << param << endl;
}


int main() {
    int num = 2019;
    func(num);
    return 0;
}

这样例子的编译输出都没有什么问题，但是如果我们修改成下面的调用方式呢？

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int main() {
    func(2019);
    return 0;
}

则会得到一个大大的编译错误。因为上面的模板函数只能接受左值或者左值引用（左值一般是有名字的变量，可以取到地址的），我们当然可以重载一个接受右值的模板函数，如下也可以达到效果。

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template<typename T>
void func(T& param) {
    cout << "传入的是左值" << endl;
}
template<typename T>
void func(T&& param) {
    cout << "传入的是右值" << endl;
}



int main() {
    int num = 2019;
    func(num);
    func(2019);
    return 0;
}

输出结果：

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传入的是左值
传入的是右值

第一次函数调用的是左值得版本，第二次函数调用的是右值版本。但是，有没有办法只写一个模板函数即可以接收左值又可以接收右值呢？

C++ 11中有万能引用（Universal Reference）的概念：使用T&&类型的形参既能绑定右值，又能绑定左值。

但是注意了：只有发生类型推导的时候，T&&才表示万能引用；否则，表示右值引用。

所以，上面的案例我们可以修改为：

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template<typename T>
void func(T&& param) {
    cout << param << endl;
}


int main() {
    int num = 2019;
    func(num);
    func(2019);
    return 0;
}

引用折叠（Universal Collapse）

万能引用说完了，接着来聊引用折叠（Univers Collapse），因为完美转发（Perfect Forwarding）的概念涉及引用折叠。一个模板函数，根据定义的形参和传入的实参的类型，我们可以有下面四中组合：

但是C++中不允许对引用再进行引用，对于上述情况的处理有如下的规则：

所有的折叠引用最终都代表一个引用，要么是左值引用，要么是右值引用。规则是：如果任一引用为左值引用，则结果为左值引用。否则（即两个都是右值引用），结果为右值引用。

即就是前面三种情况代表的都是左值引用，而第四种代表的右值引用。

完美转发（Perfect Forwarding）

下面接着说完美转发（Perfect Forwarding），首先，看一个例子：

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#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;

template<typename T>
void func(T& param) {
    cout << "传入的是左值" << endl;
}
template<typename T>
void func(T&& param) {
    cout << "传入的是右值" << endl;
}


template<typename T>
void warp(T&& param) {
    func(param);
}


int main() {
    int num = 2019;
    warp(num);
    warp(2019);
    return 0;
}

猜一下，上面的输出结果是什么？

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传入的是左值
传入的是左值

是不是和我们预期的不一样，下面我们来分析一下原因：

warp()函数本身的形参是一个万能引用，即可以接受左值又可以接受右值；第一个warp()函数调用实参是左值，所以，warp()函数中调用func()中传入的参数也应该是左值；第二个warp()函数调用实参是右值，根据上面所说的引用折叠规则，warp()函数接收的参数类型是右值引用，那么为什么却调用了调用func()的左值版本了呢？这是因为在warp()函数内部，左值引用类型变为了右值，因为参数有了名称，我们也通过变量名取得变量地址。

那么问题来了，怎么保持函数调用过程中，变量类型的不变呢？这就是我们所谓的“完美转发”技术，在C++11中通过std::forward()函数来实现。我们修改我们的warp()函数如下：

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template<typename T>
void warp(T&& param) {
    func(std::forward<T>(param));
}

则可以输出预期的结果。