【重學C++】05 | 說透右值參考、移動語意、完美轉發（下）-有解無憂

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【重學C++】05 | 說透右值參考、移動語意、完美轉發（下）

引言

大家好，我是只講技術干貨的會玩code，今天是【重學C++】的第五講，在第四講《【重學C++】04 | 說透右值參考、移動語意、完美轉發（上）》中，我們解釋了右值和右值參考的相關概念，并介紹了C++的移動語意以及如何通過右值參考實作移動語意，今天，我們聊聊右值參考的另一大作用 -- 完美轉發，

什么是完美轉發

假設我們要寫一個工廠函式，該工廠函式負責創建一個物件，并回傳該物件的智能指標，

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);
	}
}

對于類X的呼叫方來說，auto x1_ptr = factory_v1<X1>(5); 應該與auto x1_ptr = std::shared_ptr<X>(new X1(5))是完全一樣的，

也就是說，工廠函式factory_v1對呼叫者是透明的，要達到這個目的有兩個前提：

傳給factory_v1的入參arg能夠完完整整(包括參考屬性、const屬性等)得傳給T的建構式，
工廠函式factory_v1沒有額外的副作用，

這個就是C++的完美轉發，

單看factory_v1應用到X1貌似很"完美"，但既然是工廠函式，就不能只滿足于一種類物件的應用，假設我們有類X2，定義如下

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

現在大家再思考下面代碼：

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

可以發現，auto x2_ptr1 = factory_v1<X2>(x2); 比 auto x2_ptr2 = std::shared_ptr<X2>(x2)多了一次拷貝建構式的呼叫，

為什么呢？很簡單，因為factory_v1的入參是值傳遞，所以x2在傳入factory_v1時，會呼叫一次拷貝建構式，創建arg，很直接的辦法，把factory_v1的入參改成參考傳遞就好了，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));
}

改成參考傳遞后，auto x1_ptr = factory_v2<X1>(5);又會報錯了，因為factory_v2需要傳入一個左值，但字面量5是一個右值，

方法總比困難多，我們知道，C++的const X& 型別引數，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還是不夠"完美"，再看看另外一個類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

通過上一節我們知道，有名字的都是左值，所以factory_v3永遠無法呼叫到T的移動建構式，所以，factory_v3還是不滿足完美轉發，

特殊的型別推導 - 萬能參考

給出完美轉發的解決方案前，我們先來了解下C++中一種比較特殊的模版型別推導規則 - 萬能參考，

// 模版函式簽名
template <typename T>
void foo(ParamType param);

// 應用
foo(expr);

模版型別推導是指根據呼叫時傳入的expr，推匯出模版函式foo中ParamType和param的型別，

型別推導的規則有很多，大家感興趣可以去看看《Effective C++》[1]，這里，我們只介紹一種比較特殊的萬能參考，萬能參考的模版函式格式如下：

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

萬能參考的ParamType是T&&，既不能是const T&&，也不能是std::vector<T>&&

萬能參考的規則有三條：

如果expr是左值，T和param都會被推導成左值參考，
如果expr是右值，T會被推導成對應的原始型別，param會被推導成右值參考（注意，雖然被推導成右值參考，但由于param有名字，所以本身還是個左值），
在推導程序中，expr的const屬性會被保留下來，

看下面示例

template<typename T>
void foo(T&& param);
// x是一個左值
int x=27;
// cx是帶有const的左值
const int cx = x;
// rx是一個左值參考
const int& rx = cx;

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

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

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

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

std::forward實作完美轉發

到此，完美轉發的前置知識就已經講完了，我們看看C++是如何利用std::forward實作完美轉發的，

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的定義如下

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

傳入左值

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

根據萬能參考的推導規則，factory_v4中的Arg會被推導成X&，這個時候factory_v4和std::forwrd等價于：

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);
}

這個時候傳給A的引數型別是X&，即呼叫的是拷貝建構式A(X&)，符合預期，

傳入右值

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

根據萬能參考推導規則，factory_v4中的Arg會被推導成X，這個時候factory_v4和std::forwrd等價于：

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);
}

此時，std::forward作用與std::move一樣，隱藏掉了arg的名字，回傳對應的右值參考，這個時候傳給A的引數型別是X&&，即呼叫的是移動建構式A(X&&)，符合預期，

總結

這篇文章，我們主要是繼續第四講的內容，一步步學習了完美轉發的概念以及如何使用右值解決引數透傳的問題，實作完美轉發，

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

END

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