C++模板元编程(二)—

C++模板元编程(二)——完美转发

完美转发指的是函数模板可以将自己的参数“完美”地转发给内部调用的其它函数。所谓完美，即不仅能准确地转发参数的值，还能保证被转发参数的左、右值属性不变。

文章目录

场景
旧的方法
新的方法
内部实现
参考文献

场景

思考下面的代码：

template<typename T>
void function(T t) {
    otherfunc(t);
}

function() 函数模板中调用了otherfunc()函数。我们想要的完美转发是：

如果function()函数接收到的参数 t 为左值，那么该函数传递给 otherfunc() 的参数 t 也是左值。
如果function()函数接收到的参数t为右值，那么传递给 otherfunc() 函数的参数 t 也是右值

显然 function() 函数模板没有实现完美转发，这是因为无论是左值还是右值传递进来，都会当作是左值，因为是非引用类型。

比如 function(10)； 传递给 otherfunc() 也是左值而不是我们期望的右值，这在我们期望对左值和右值进行不同处理时会产生问题。

旧的方法

在C++98/03 标准下的 C++ 也可以实现完美转发，只是实现方式比较麻烦。

C++98/03 标准中只有左值引用，可以细分为非 const引用和const引用：

非const引用作为函数模板参数，只能接收左值无法接收右值
const左值引用既可以接收左值，也可以接收右值，但如果内部需要将参数传递给其他函数，需要被调用函数的参数也是 const，否则无法直接传递。

可见能实现转发，但不够"完美"。

#include <iostream>
using namespace std;
//重载被调用函数，查看完美转发的效果
void otherfunc(int & t) {
    cout << "call lvalue\n";
}
void otherfunc(const int & t) {
    cout << "call rvalue\n";
}

//重载函数模板，分别接收左值和右值
//接收右值参数
template <typename T>
void function(const T& t) {
    otherfunc(t);
}
//接收左值参数
template <typename T>
void function(T& t) {
    otherfunc(t);
}
int main()
{
    function(10);//10 是右值
    int  x = 2;
    function(x);//x 是左值
    return 0;
}

输出为

左值实参既能匹配 function(T& t) 也能匹配 function(const& t)，编译器会选择更合适的 function(T& t)。

新的方法

对于旧的方法，当模板函数有大量参数的情况，可能就需要编写大量的重载函数模板。

在C++11标准中引入了右值引用，通常情况下右值引用只能接收右值，而对于函数模板中使用右值引用语法定义的参数来说，它既可以接收右值，也可以接收左值(称为万能引用)。

因此在C++11标准中实现完美转发，只需要编写如下一个模板函数即可：

template <typename T>
void function(T&& t) {
	otherdef(t);
}

但是还存在一个问题，如果我们传入的参数是一个左值引用或右值引用的实参，如下所示：

int x = 5;
int& y =  x;
function(y); // T为int&
int&& z = 1;
function(z); // T 为int&&

其中， function(y) 实例化的函数为 function(int& && t)，由function(z) 实例化的函数为 function(int&& &&t)，这在C++98/03是不支持的，而C++11引入了引用折叠规则：

当实参为左值或者左值引用(A&)时，函数模板中 T&& 将转变为 A&，即 A& && = A&。
当实参为右值或者右值引用(A&&)时，函数模板中 T&& 将转变为 A&&，即 A&& && = A&&。

还存在的问题是，在function()函数内部，不管是 T& t 还是 T&& t 其实 t 都是一个左值，因此都会传递到 otherfunc(int& t)。

所以我们需要一种解决方案来处理这个问题，C++11标准里的模板函数 forward() 就是用来解决这个问题，让我们能传递左值/右值属性，例子如下：

#include <iostream>
using namespace std;
//重载被调用函数，查看完美转发的效果
void otherfunc(int & t) {
    cout << "lvalue\n";
}
void otherfunc(const int & t) {
    cout << "rvalue\n";
}
//实现完美转发的函数模板
template <typename T>
void function(T&& t) {
    otherfunc(forward<T>(t));
}
int main()
{
    function(1);
    int  x = 2;
    function(x);
    return 0;
}

输出如下，正确传递了左值/右值属性

内部实现

下面简单看下内部实现(MSVC)

_EXPORT_STD template <class _Ty>
_NODISCARD _MSVC_INTRINSIC constexpr _Ty&& forward(remove_reference_t<_Ty>& _Arg) noexcept {
    return static_cast<_Ty&&>(_Arg);
}

_EXPORT_STD template <class _Ty>
_NODISCARD _MSVC_INTRINSIC constexpr _Ty&& forward(remove_reference_t<_Ty>&& _Arg) noexcept {
    static_assert(!is_lvalue_reference_v<_Ty>, "bad forward call");
    return static_cast<_Ty&&>(_Arg);
}

简单地来说就是通过静态的强制类型转换+引用折叠，返回对应的结果。

比如下面的四钟情况：

	int x = 2;
	otherfunc(forward<int>(x)); // 匹配第一个，返回 int&&
	otherfunc(forward<int>(2)); // 匹配第二个，返回 int&&
	int& y = x;
	otherfunc(forward<int&>(y)); // 匹配第一个，返回 int&
	int&& z = 2;
	otherfunc(forward<int&&>(z)); // 匹配第一个，返回 int&&，可见右值引用是个左值