Programming

C++ 中有左值引用和右值引用。左值引用可以绑定到左值，右值引用可以绑定到右值。那有没有一种引用，既可以绑定左值又可以绑定右值呢？有的，那就是我们这篇文章的主角，万能引用。万能引用在英文中称为 Universal Reference。它的形式为 T&&，并且这里的 T 是需要进行推导的类型。 如果读者感兴趣的话，可以看一下 Scott Mayers 的这篇博文。他讲得特别得详细，建议读者都看一下。本文基本上就是基于 Scott 的这篇博文进行了精简和整理。 万能引用在代码中大概是这样出现的： template <typename T> void foo(T &&x) {} auto &&x = ..; decltype(bar) &&x = ..; 万能引用中的型别推导 a) auto, template 在模板和 auto 型别推导形式下的万能引用，T 型别的左值被推导为 T&，而 T 型别的右值被推导为 T。 template <typename T> void foo(T &&x) {} int x = 1; foo(x); // T deduces to be int& foo(1); // T deduces to be int 上面的代码中使用了引用折叠的规则，对此尚不清楚的读者可以参考我的另一篇文章。 这条规则有一条隐藏的含义，那就是初始化值的引用类型在推导过程中被忽略了。不论初始化值是左值引用还是右值引用，或者是不是引用，都不影响推导的结果。非引用的左值，左值引用和右值引用都是左值，所以推导得到的型别 T 都是 T&；而只有右值会被推导为 T。 根据这条规则和引用折叠的规则，我们可以得到一条推论: 如果初始化值为左值，那么万能引用实例化为左值引用；如果初始化值为右值，那么万能引用实例化为右值引用。 int x = 1; auto &&y = x; // 因为 x 是左值，所以 y 的类型为 T& &&，折叠为 T& 即左值引用 auto &&p = y; // 同上，y 是左值 auto &&z = 1; 初始化值为右值，所以 z 的类型为 T &&，即右值引用 b) decltype 在 decltype 推导形式下的万能引用，初始化值的引用性得以保留。也就是说，如果初始化值为非引用左值，那么推导得到的型别为 T （而非 T&）；如果初始化值为左值引用，那么推导得到的型别为 T&；如果初始化值为右值引用，那么推导得到的型别为 T&&。根据这条规则和引用折叠的规则，我们可以总结出这种形式下的万能引用的场景： ...

简介 虚函数是 C++ 中的一种成员函数，它的开头用关键字 “virtual” 进行修饰。虚函数是用于实现运行时多态的一种方式。 虚函数的简单例子 class Base { public: virtual void foo(); }; class Derived : public Base { public: void foo(); } 在以上例子中，Base 声明了一个虚函数 foo，它的派生类 Derived，重载了这个 foo 函数。在运行时，如果指针或者引用指向的将是 Base，那么调用的将是 Base::foo；如指针或者引用指向的是 Derived 对象，那么调用的将是 Derived::foo。 运行时多态 class Base { public: virtual void foo() { std::cout << "Base foo" << std::endl; }; }; class Derived : public Base { public: void foo() { std::cout << "Derived foo" << std::endl; }; }; int main() { Derived d; Base *b1 = &d; Base &b2 = d; b1->foo(); b2.foo(); return 0; } Output: Derived foo Derived foo 在上面的例子中，我们将 Base 类型的指针和引用指向 Derived 对象，在调用 foo 的时候，实际调用的是 Derived::foo，这就是运行时多态。当有函数的接口只接受基类对象的指针类型的时候，我们可以传入实际指向子类对象的指针，并且可以成功调用子类对象的成员函数。 ...

std::move 是移动语义中常见的一种标准库函数，它的作用是将一个左值转发为右值。如果读者了解完美转发（std::forward）的话，就会发现 std::move 其实是完美转发的一个子集。在一点在我之前的博客中也提到过。在 cppreference.com，对 std::move 下了如下的定义： std::move is used to indicate that an object t may be “moved from”, i.e. allowing the efficient transfer of resources from t to another object. In particular, std::move produces an xvalue expression that identifies its argument t. It is exactly equivalent to a static_cast to an rvalue reference type. std::move 的声明如下： template< class T > typename std::remove_reference<T>::type&& move( T&& t ) noexcept; std::move 的声明说明了它的输出的类型是 T&&，也就是 T 的右值引用。所以当 std::move 的结果被当作右值使用的时候，会激活右值引用形参的重载函数。我们看个例子： ...

完美转发（std::forward）是一个标准库函数。它的作用是什么呢？简而言之，它可以把左值当作左值或者右值转发出去，也可以把右值当作右值转发出去。这段像绕口令一样的描述不是我的原创，而是翻译自 cppreference.com： Forwards lvalues as either lvalues or as rvalues, depending on T. Forwards rvalues as rvalues and prohibits forwarding of rvalues as lvalues. 其目的，读者诸君应该也能大概猜到，凡是涉及到左值右值的，大多是为了实现移动语义。 逐条解释 我们先看一下标准库中对 std::forward 的声明。结合一下这段代码，我们可以尝试理解一下上面的那段绕口令。 template <class T> T&& forward(typename remove_reference<T>::type& arg) noexcept; template <class T> T&& forward(typename remove_reference<T>::type&& arg) noexcept; 1. 将左值转发为左值 #include <iostream> #include <utility> using namespace std; struct Foo { Foo() { std::cout << "Foo constructor." << std::endl; } }; struct Bar { Bar(Foo&) { std::cout << "Bar copy constructor." << std::endl; } Bar(Foo&&) { std::cout << "Bar move constructor." << std::endl; } }; int main() { Foo foo; auto b1 = Bar(std::forward<Foo&>(foo)); auto b2 = Bar(foo); } Output: Foo constructor. Bar copy constructor. Bar copy constructor. 注意我们调用 std::forward 的时候，实例化的模板参数是 Foo&，因为入参 foo 是左值，所以实例化的是 std::forward 的第一种声明。用 Foo& 替换 T 之后我们可以看到，std::forward 的返回类型为 Foo& &&，而根据引用折叠规则，这一类型实际为 Foo&，因此返回类型为 Foo&，也就是 Foo 的左值引用。所以，Bar 的构造函数看到的入参是一个 Foo& 类型的右值（我们直接把 std::forward 的结果传递给了 Bar 的构造函数），因此激活的是拥有 Foo& 形参的构造函数，也就是 “copy constructor”。可以看到这一调用的结果跟我们直接传递一个左值的 Foo 对象是一样的。因此，我们称在这种情况下，将左值转发为了左值。 ...

C++ 引用折叠可以说是 C++ 一系列高级模板编程技巧（例如万能引用，完美转发）的基础。C++ 中的左值和右值都可以有引用，分别为左值引用（T&）和右值引用（T&&）。左值引用和右值引用也都是类型，所以它们也可以有引用。对于如何解释引用的引用，C++ 有一套规定：除了右值引用的右值引用折叠为右值引用之外，其他对引用的引用均折叠为左值引用。 也就是说，总共四种情况，用下面的代码总结一下： // 左值引用的左值引用折叠为左值引用 T& & → T& // 左值引用的右值引用折叠为左值引用 T& && → T& // 右值引用的左值引用折叠为左值引用 T&& & → T& // 右值引用的右值引用折叠为右值引用 T&& && → T&& 一言以蔽之，只要沾了左值引用，就永远是左值引用。通过 Compiler Explorer 验证一下以上的论点。 一些反思 如果读者了解移动语义的话，那么引用折叠会使得我们回味一下移动语义并得到一些新的见解。参考以下的代码，我们重载了函数 foo，使得它可以接受右值的入参，这是很常见的一个场景。 void foo(int &x){ std::cout << "lvalue reference version called." << std::endl; } void foo(int &&x){ std::cout << "rvalue reference version called." << std::endl; } int main() { int x = 1; foo(x); // 调用了左值引用版本的构造函数 foo(1); // 调用了右值引用版本的构造函数 return 0; } 不过，如果我传入一个左值引用类型的右值呢，哪个重载版本会被调用呢？ foo(static_cast<int&>(x)); // 传入的参数是左值引用类型的右值 如果你像我之前只根据左值或者右值进行判断的话，那就会认为右值引用的版本会被调用。但是实际上被调用的是左值引用的版本，也就是 foo(int &x) 这个版本。因为我们传入的参数的类型是 int&，而且是一个右值，那么实际上对应的形参应该是 foo(int& &&)，而根据引用折叠的规则，这实际上就是 foo(int&) 这个函数。那么对于如下这种入参，调用的又会是哪个版本呢？ ...