【重学C++】05 | 说透右值引用、移动语义、完美转发（下）

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【重学C++】05 | 说透右值引用、移动语义、完美转发（下）

引言

大家好，我是只讲技术干货的会玩code，今天是【重学C++】的第五讲，在第四讲《【重学C++】04 | 说透右值引用、移动语义、完美转发（上）》中，我们解释了右值和右值引用的相关概念，并介绍了C++的移动语义以及如何通过右值引用实现移动语义。今天，我们聊聊右值引用的另一大作用 -- 完美转发。

什么是完美转发

假设我们要写一个工厂函数，该工厂函数负责创建一个对象，并返回该对象的智能指针。

template<typename T, typename Arg> 
std::shared_ptr<T> factory_v1(Arg arg)
{
	return std::shared_ptr<T>(new T(arg));
}

class X1 {
public:
	int* i_p;
	X(int a) {
		i_p = new int(a);
	}
}

对于类X的调用方来说，auto x1_ptr = factory_v1<X1>(5); 应该与auto x1_ptr = std::shared_ptr<X>(new X1(5))是完全一样的。

也就是说，工厂函数factory_v1对调用者是透明的。要达到这个目的有两个前提：

1. 传给factory_v1的入参arg能够完完整整(包括引用属性、const属性等)得传给T的构造函数。
2. 工厂函数factory_v1没有额外的副作用。

这个就是C++的完美转发。

单看factory_v1应用到X1貌似很"完美"，但既然是工厂函数，就不能只满足于一种类对象的应用。假设我们有类X2。定义如下

class X2 {
public:
	X2(){}
	X2(X2& rhs) {
		std::cout << "copy constructor call" << std::endl;
	}
}

现在大家再思考下面代码：

X2 x2 = X2();

auto x2_ptr1 = factory_v1<X2>(x2);
// output:
// copy constructor call
// copy constructor call

auto x2_ptr2 = std::shared_ptr<X2>(x2)
// output:
// copy constructor call

可以发现，auto x2_ptr1 = factory_v1<X2>(x2); 比 auto x2_ptr2 = std::shared_ptr<X2>(x2)多了一次拷贝构造函数的调用。

为什么呢？很简单，因为factory_v1的入参是值传递，所以x2在传入factory_v1时，会调用一次拷贝构造函数，创建arg。很直接的办法，把factory_v1的入参改成引用传递就好了，得到factory_v2。

template<typename T, typename Arg> 
std::shared_ptr<T> factory_v2(Arg& arg)
{
	return std::shared_ptr<T>(new T(arg));
}

改成引用传递后，auto x1_ptr = factory_v2<X1>(5);又会报错了。因为factory_v2需要传入一个左值，但字面量5是一个右值。

方法总比困难多，我们知道，C++的const X& 类型参数，既能接收左值，又能接收右值，所以，稍加改造，得到factory_v3。

template<typename T, typename Arg> 
std::shared_ptr<T> factory_v3(const Arg& arg)
{
	return std::shared_ptr<T>(new T(arg));
}

factory_v3还是不够"完美"， 再看看另外一个类X3。

class X3 {
public:
	X3(){}
	X3(X3& rhs) {
		std::cout << "copy constructor call" << std::endl;
	}

	X3(X3&& rhs) {
		std::cout << "move constructor call" << std::endl;
	}
}

再看看以下使用例子

auto x3_ptr1 = factory_v3<X3>(X3());
// output
// copy constructor call

auto x3_ptr2 = std::shared_ptr<X3>(new X3(X3()));
// output
// move constructor call

通过上一节我们知道，有名字的都是左值，所以factory_v3永远无法调用到T的移动构造函数。所以，factory_v3还是不满足完美转发。

特殊的类型推导 - 万能引用

给出完美转发的解决方案前，我们先来了解下C++中一种比较特殊的模版类型推导规则 - 万能引用。

// 模版函数签名
template <typename T>
void foo(ParamType param);

// 应用
foo(expr);

模版类型推导是指根据调用时传入的expr，推导出模版函数foo中ParamType和param的类型。

类型推导的规则有很多，大家感兴趣可以去看看《Effective C++》[1]，这里，我们只介绍一种比较特殊的万能引用。 万能引用的模版函数格式如下：

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

万能引用的ParamType是T&&，既不能是const T&&，也不能是std::vector<T>&&

万能引用的规则有三条：

1. 如果expr是左值，T和param都会被推导成左值引用。
2. 如果expr是右值，T会被推导成对应的原始类型，param会被推导成右值引用（注意，虽然被推导成右值引用，但由于param有名字，所以本身还是个左值）。
3. 在推导过程中，expr的const属性会被保留下来。

看下面示例

template<typename T>
void foo(T&& param);
// x是一个左值
int x=27;
// cx是带有const的左值
const int cx = x;
// rx是一个左值引用
const int& rx = cx;

// x是左值，所以T是int&，param类型也是int&
foo(x);

// cx是左值，所以T是const int&，param类型也是const int&
foo(cx);

// rx是左值，所以T是const int&，param类型也是const int&
foo(rx);

// 27是右值，所以T是int，param类型就是int&&
foo(27);

std::forward实现完美转发

到此，完美转发的前置知识就已经讲完了，我们看看C++是如何利用std::forward实现完美转发的。

template<typename T, typename Arg> 
std::shared_ptr<T> factory_v4(Arg&& arg)
{ 
  return std::shared_ptr<T>(new T(std::forward<Arg>(arg)));
}

std::forward的定义如下

template<class S>
S&& forward(typename remove_reference<S>::type& a) noexcept
{
  return static_cast<S&&>(a);
}

传入左值

X x;
auto a = factory_v4<A>(x);

根据万能引用的推导规则，factory_v4中的Arg会被推导成X&。这个时候factory_v4和std::forwrd等价于：

shared_ptr<A> factory_v4(X& arg)
{ 
  return shared_ptr<A>(new A(std::forward<X&>(arg)));
}

X& std::forward(X& a) 
{
  return static_cast<X&>(a);
}

这个时候传给A的参数类型是X&，即调用的是拷贝构造函数A(X&)。符合预期。

传入右值

X createX();
auto a = factory_v4<A>(createX());

根据万能引用推导规则，factory_v4中的Arg会被推导成X。这个时候factory_v4和std::forwrd等价于：

shared_ptr<A> factory_v4(X&& arg)
{ 
  return shared_ptr<A>(new A(std::forward<X>(arg)));
}

X&& forward(X& a) noexcept
{
  return static_cast<X&&>(a);
}

此时，std::forward作用与std::move一样，隐藏掉了arg的名字，返回对应的右值引用。这个时候传给A的参数类型是X&&，即调用的是移动构造函数A(X&&)，符合预期。

总结

这篇文章，我们主要是继续第四讲的内容，一步步学习了完美转发的概念以及如何使用右值解决参数透传的问题，实现完美转发。

[1] https://github.com/CnTransGroup/EffectiveModernCppChinese/blob/master/src/1.DeducingTypes/item1.md

END

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