完美转发

Reference collapse and perfect forwarding

转发问题

假设我们有一个工厂函数，工厂函数里面会new一个对象并返回，并将接受到的参数转发给构造函数：

template<typename T, typename S>
T* factory(S& arg) {
    return new T(arg);
}

这样实现会有两个问题，

1. S&限制了只能传入一个左值。
2. func中传入arg是个左值，这样会触发拷贝构造而非移动构造。我们想要传入的引用和转发的引用类型一致。

所以，我们需要一种方案，来实现传入任意左值或右值作为参数，并且在转发参数时不改变其值的类型。

Reference collapsing

在c++ 11之前未引入引用折叠时，“引用的引用”这种表示形式是不合法的。但在引入引用折叠后，“引用的引用”这种表达会被编译器翻译掉：

• T& & –> T&
• T& && –> T&
• T&& & –> T&
• T&& && –> T&&
  也就是说，只有两个右值引用会被折叠为右值引用，其他情况都会折叠为左值引用。

Universal references

万能引用是基于引用折叠实现的，其形式和右值引用一样，都是&&。万能引用能同时匹配左值引用和右值引用。

template<typename T>
void func(T&& arg) {
    // do something
}

int a = 1;
func(a);    // ok
func(3);    // ok

万能引用中只在模板中并且需要类型推导的时候生效，若是特化或者有函数重载的时候，万能引用是无效的。

当传入的是左值引用时，推导后的类型为T&& &，会被折叠为T&；当传入的是右值引用时，推导后的类型为T&& &&，折叠后的类型为T&&。

std::forward

c++11引入了一个新的函数forward来帮助实现完美转发。下面是forward的实现（c++14）：

template< class T >
constexpr T&& forward( std::remove_reference_t<T>& t ) noexcept;

template< class T >
constexpr T&& forward( std::remove_reference_t<T>&& t ) noexcept;

注：c++11中为std::remove_reference<T>::type

以传入左值引用为例，当我们特化一个左值引用A&的forward函数时：

constexpr A& && forward(typename std::remove_reference_t<A&>& __t) noexcept {
    return static_cast<A& &&>(__t);
}

经过remove reference和引用折叠后，forward变为：

constexpr A& forward(typename A& __t) noexcept {
    return static_cast<A&>(__t);
}

右值引用依然如此：

constexpr A&& && forward(typename std::remove_reference_t<A&&>& __t) noexcept {
    return static_cast<A&& &&>(__t);
}

之后forward变为：

constexpr A&& forward(typename A& __t) noexcept {
    return static_cast<A&&>(__t);
}

需要注意的是，std::forward只能特例化后使用，不能进行类型推导。

至此，我们一开始的转发问题便得到了解决：

template<typename T, typename S>
T* factory(S&& arg) {
    return new T(std::forward<S>(arg));
}

Reference

std::forward

C++ Rvalue References Explained