Item 28 : 理解引用折叠

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小牛编辑
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2023-12-01

Item23中指出,当参数传递给模板函数时,模板参数的类型是左值还是右值被推导出来。但是并没有提到只有当参数被声明为通用引用时,上述推导才会发生,但是有充分的理由忽略这一点:因为通用引用是Item24中才提到。回过头来看,通用引用和左值/右值编码意味着:

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

被推导的模板参数T将根据被传入参数类型被编码为左值或者右值。

编码机制是简单的。当左值被传入时,T被推导为左值。当右值被传入时,T被推导为非引用(请注意不对称性:左值被编码为左值引用,右值被编码为非引用),因此:

Widget widgetFactory(); // function returning rvalue
Widget w; // a variable(an lvalue)
func(w);  // call func with lvalue; T deduced to be Widget&
func(widgetFactory()); // call func with rvalue; T deduced to be Widget

上面的两种调用中,Widget被传入,因为一个是左值,一个是右值,模板参数T被推导为不同的类型。正如我们很快看到的,这决定了通用引用成为左值还是右值,也是std::forward的工作基础。

在我们更加深入std::forward和通用引用之前,必须明确在C++中引用的引用是非法的。不知道你是否尝试过下面的写法,编译器会报错:

int x;
...
auto& & rx = x;  //error! can't declare reference to reference

考虑下,如果一个左值传给模板函数的通用引用会发生什么:

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

func(w); // invoke func with lvalue; T deduced as Widget&

如果我们把推导出来的类型带入回代码中看起来就像是这样:

void func(Widget& && param);

引用的引用!但是编译器没有报错。我们从Item24中了解到因为通用引用param被传入一个左值,所以param的类型被推导为左值引用,但是编译器如何采用T的推导类型的结果,这是最终的函数签名?

void func(Widget& param);

答案是引用折叠。是的,禁止你声明引用的引用,但是编译器会在特定的上下文中使用,包括模板实例的例子。当编译器生成引用的引用时,引用折叠指导下一步发生什么。

存在两种类型的引用(左值和右值),所以有四种可能的引用组合(左值的左值,左值的右值,右值的右值,右值的左值)。如果一个上下文中允许引用的引用存在(比如,模板函数的实例化),引用根据规则折叠为单个引用:

如果任一引用为左值引用,则结果为左值引用。否则(即,如果引用都是右值引用),结果为右值引用

在我们上面的例子中,将推导类型Widget&替换模板func会产生对左值引用的右值引用,然后引用折叠规则告诉我们结果就是左值引用。

引用折叠是std::forward工作的一种关键机制。就像Item25中解释的一样,std::forward应用在通用引用参数上,所以经常能看到这样使用:

template<typename T>
void f(T&& fParam)
{
  ...  // do some work
  someFunc(std::forward<T>(fParam)); // forward fParam to someFunc
}

因为fParam是通用引用,我们知道参数T的类型将在传入具体参数时被编码。std::forward的作用是当传入参数为右值时,即T为非引用类型,才将fParam(左值)转化为一个右值。

std::forward可以这样实现:

template<typename T>
T&& forward(typename remove_reference<T>::type& param)
{
  return static_cast<T&&>(param);
}

这不是标准库版本的实现(忽略了一些接口描述),但是为了理解std::forward的行为,这些差异无关紧要。

假设传入到f的Widget的左值类型。T被推导为Widget&,然后调用std::forward将初始化为std::forward<Widget&>。带入到上面的std::forward的实现中:

Widget& && forward(typename remove_reference<Widget&>::type& param)
{
  return static_cast<Widget& &&>(param);
}

std::remove_reference<Widget&>::type表示Widget(查看Item9),所以std::forward成为:

Widget& && forward(Widget& param)
{
  return static_cast<Widget& &&>(param);
}

根据引用折叠规则,返回值和static_cast可以化简,最终版本的std::forward就是

Widget& forward(Widget& param)
{
  return static_cast<Widget&>(param);
}

正如你所看到的,当左值被传入到函数模板f时,std::forward转发和返回的都是左值引用。内部的转换不做任何事,因为param的类型已经是Widget&,所以转换没有影响。左值传入会返回左值引用。通过定义,左值引用就是左值,因此将左值传递给std::forward会返回左值,就像说的那样,完美转发。

现在假设一下,传递给f的是一个Widget的右值。在这个例子中,T的类型推导就是Widget。内部的std::forward因此转发std::forward<Widget>,带入回std::forward实现中:

Widget&& forward(typename remove_reference<Widget>::type& param)
{
  return static_cast<Widget&&>(param);
}

remove_reference引用到非引用的类型上还是相同的类型,所以化简如下

Widget&& forward(Widget& param)
{
  return static_cast<Widget&&>(param);
}

这里没有引用的引用,所以不需要引用折叠,这就是最终版本。

从函数返回的右值引用被定义为右值,因此在这种情况下,std::forward会将f的参数fParam(左值)转换为右值。最终结果是,传递给f的右值参数将作为右值转发给someFunc,完美转发。

在C++14中,std::remove_reference_t的存在使得实现变得更简单:

template<typename T>  // C++ 14; still in namepsace std
T&& forward(remove_reference_t<T>& param)
{
  return static_cast<T&&>(param);
}

引用折叠发生在四种情况下。第一,也是最常见的就是模板实例化。第二,是auto变量的类型生成,具体细节类似模板实例化的分析,因为类型推导基本与模板实例化雷同(参见Item2)。考虑下面的例子:

template<typename T>
void func(T&& param); 
Widget widgetFactory(); // function returning rvalue
Widget w; // a variable(an lvalue)
func(w); // call func with lvalue; T deduced to be Widget&
func(widgetFactory()); // call func with rvalue; T deduced to be Widget

在auto的写法中,规则是类似的:auto&& w1 = w;初始化w1为一个左值,因此为auto推导出类型Widget&。带回去就是Widget& && w1 = w,应用引用折叠规则,就是Widget& w1 = w,结果就是w1是一个左值引用。

另一方面,auto&& w2 = widgetFactory();使用右值初始化w2,非引用带回Widget&& w2 = widgetFactory()。没有引用的引用,这就是最终结果。

现在我们真正理解了Item24中引入的通用引用。通用引用不是一种新的引用,它实际上是满足两个条件下的右值引用:

  • 通过类型推导将左值和右值区分。T类型的左值被推导为&类型,T类型的右值被推导为T
  • 引用折叠的发生

通用引用的概念是有用的,因为它使你不必一定意识到引用折叠的存在,从直觉上判断左值和右值的推导即可。

我说了有四种情况会发生引用折叠,但是只讨论了两种:模板实例化和auto的类型生成。第三,是使用typedef和别名声明(参见Item9),如果,在创建或者定义typedef过程中出现了引用的引用,则引用折叠就会起作用。举例子来说,假设我们有一个Widget的类模板,该模板具有右值引用类型的嵌入式typedef:

template<typename T>
class Widget {
public:
  typedef T&& RvalueRefToT;
  ...
};

假设我们使用左值引用实例化Widget:

Widget<int&> w;

就会出现

typedef int& && RvalueRefToT;

引用折叠就会发挥作用:

typedef int& RvalueRefToT;

这清楚表明我们为typedef选择的name可能不是我们希望的那样:RvalueRefToT是左值引用的typedef,当使用Widget被左值引用实例化时。

最后,也是第四种情况是,decltype使用的情况,如果在分析decltype期间,出现了引用的引用,引用折叠规则就会起作用(关于decltype,参见Item3)

需要记住的事

  • 引用折叠发生在四种情况:模板实例化;auto类型推导;typedef的创建和别名声明;decltype
  • 当编译器生成了引用的引用时,结果通过引用折叠就是单个引用。有左值引用就是左值引用,否则就是右值引用
  • 通用引用就是通过类型推导区分左值还是右值,并且引用折叠出现的右值引用