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C++11完美转发及实现方法详解

C++11 标准为 C++ 引入右值引用语法的同时,还解决了一个 C++ 98/03 标准长期存在的短板,即使用简单的方式即可在函数模板中实现参数的完美转发。那么,什么是完美转发?它为什么是 C++98/03 标准存在的一个短板?C++11 标准又是如何为 C++ 弥补这一短板的?别急,本节将就这些问题给读者做一一讲解。

首先解释一下什么是完美转发,它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。

在 C++ 中,一个表达式不是左值就是右值。有关如何判断一个表达式是左值还是右值,可阅读《C++右值引用》一文做详细了解。

举个例子:
template<typename T>
void function(T t) {
    otherdef(t);
}
如上所示,function() 函数模板中调用了 otherdef() 函数。在此基础上,完美转发指的是:如果 function() 函数接收到的参数 t 为左值,那么该函数传递给 otherdef() 的参数 t 也是左值;反之如果 function() 函数接收到的参数 t 为右值,那么传递给 otherdef() 函数的参数 t 也必须为右值。

显然,function() 函数模板并没有实现完美转发。一方面,参数 t 为非引用类型,这意味着在调用 function() 函数时,实参将值传递给形参的过程就需要额外进行一次拷贝操作;另一方面,无论调用 function() 函数模板时传递给参数 t 的是左值还是右值,对于函数内部的参数 t 来说,它有自己的名称,也可以获取它的存储地址,因此它永远都是左值,也就是说,传递给 otherdef() 函数的参数 t 永远都是左值。总之,无论从那个角度看,function() 函数的定义都不“完美”。

读者可能会问,完美转发这样严苛的参数传递机制,很常用吗?C++98/03 标准中几乎不会用到,但 C++11 标准为 C++ 引入了右值引用和移动语义,因此很多场景中是否实现完美转发,直接决定了该参数的传递过程使用的是拷贝语义(调用拷贝构造函数)还是移动语义(调用移动构造函数)。


事实上,C++98/03 标准下的 C++ 也可以实现完美转发,只是实现方式比较笨拙。通过前面的学习我们知道,C++ 98/03 标准中只有左值引用,并且可以细分为非 const 引用和 const 引用。其中,使用非 const 引用作为函数模板参数时,只能接收左值,无法接收右值;而 const 左值引用既可以接收左值,也可以接收右值,但考虑到其 const 属性,除非被调用函数的参数也是 const 属性,否则将无法直接传递。

这也就意味着,单独使用任何一种引用形式,可以实现转发,但无法保证完美。因此如果使用 C++ 98/03 标准下的 C++ 语言,我们可以采用函数模板重载的方式实现完美转发,例如:
#include <iostream>
using namespace std;

//重载被调用函数,查看完美转发的效果
void otherdef(int & t) {
    cout << "lvalue\n";
}
void otherdef(const int & t) {
    cout << "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) {
    otherdef(t);
}
//接收左值参数
template <typename T>
void function(T& t) {
    otherdef(t);
}

int main()
{
    function(5);//5 是右值
    int  x = 1;
    function(x);//x 是左值
    return 0;
}
程序执行结果为:

rvalue
lvalue

从输出结果中可以看到,对于右值 5 来说,它实际调用的参数类型为 const T& 的函数模板,由于 t 为 const 类型,所以 otherdef() 函数实际调用的也是参数用 const 修饰的函数,所以输出“rvalue”;对于左值 x 来说,2 个重载模板函数都适用,C++编译器会选择最适合的参数类型为 T& 的函数模板,进而 therdef() 函数实际调用的是参数类型为非 const 的函数,输出“lvalue”。

显然,使用重载的模板函数实现完美转发也是有弊端的,此实现方式仅适用于模板函数仅有少量参数的情况,否则就需要编写大量的重载函数模板,造成代码的冗余。为了方便用户更快速地实现完美转发,C++ 11 标准中允许在函数模板中使用右值引用来实现完美转发。

C++11 标准中规定,通常情况下右值引用形式的参数只能接收右值,不能接收左值。但对于函数模板中使用右值引用语法定义的参数来说,它不再遵守这一规定,既可以接收右值,也可以接收左值(此时的右值引用又被称为“万能引用”)。

仍以 function() 函数为例,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);
}
此模板函数的参数 t 既可以接收左值,也可以接收右值。但仅仅使用右值引用作为函数模板的参数是远远不够的,还有一个问题继续解决,即如果调用 function() 函数时为其传递一个左值引用或者右值引用的实参,如下所示:
int n = 10;
int & num = n;
function(num); // T 为 int&

int && num2 = 11;
function(num2); // T 为 int &&
其中,由 function(num) 实例化的函数底层就变成了 function(int & & t),同样由 function(num2) 实例化的函数底层则变成了 function(int && && t)。要知道,C++98/03 标准是不支持这种用法的,而 C++ 11标准为了更好地实现完美转发,特意为其指定了新的类型匹配规则,又称为引用折叠规则(假设用 A 表示实际传递参数的类型):
  • 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&(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&&(A&& && = A&&)。

读者只需要知道,在实现完美转发时,只要函数模板的参数类型为 T&&,则 C++ 可以自行准确地判定出实际传入的实参是左值还是右值。

通过将函数模板的形参类型设置为 T&&,我们可以很好地解决接收左、右值的问题。但除此之外,还需要解决一个问题,即无论传入的形参是左值还是右值,对于函数模板内部来说,形参既有名称又能寻址,因此它都是左值。那么如何才能将函数模板接收到的形参连同其左、右值属性,一起传递给被调用的函数呢?

C++11 标准的开发者已经帮我们想好的解决方案,该新标准还引入了一个模板函数 forword<T>(),我们只需要调用该函数,就可以很方便地解决此问题。仍以 function 模板函数为例,如下演示了该函数模板的用法:
#include <iostream>
using namespace std;

//重载被调用函数,查看完美转发的效果
void otherdef(int & t) {
    cout << "lvalue\n";
}
void otherdef(const int & t) {
    cout << "rvalue\n";
}

//实现完美转发的函数模板
template <typename T>
void function(T&& t) {
    otherdef(forward<T>(t));
}

int main()
{
    function(5);
    int  x = 1;
    function(x);
    return 0;
}
程序执行结果为:

rvalue
lvalue

注意程序中第 12~16 行,此 function() 模板函数才是实现完美转发的最终版本。可以看到,forword() 函数模板用于修饰被调用函数中需要维持参数左、右值属性的参数。

总的来说,在定义模板函数时,我们采用右值引用的语法格式定义参数类型,由此该函数既可以接收外界传入的左值,也可以接收右值;其次,还需要使用 C++11 标准库提供的 forword() 模板函数修饰被调用函数中需要维持左、右值属性的参数。由此即可轻松实现函数模板中参数的完美转发。 

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