fix item28

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johnwdjiang 2020-10-15 16:47:49 +08:00
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## Item28理解引用折叠
Item23中指出当参数传递给模板函数时模板参数的类型是左值还是右值被推导出来。但是并没有提到只有当参数被声明为通用引用时上述推导才会发生但是有充分的理由忽略这一点因为通用引用是Item24中才提到。回过头来看通用引用和左值/右值编码意味着:
```cpp
template<typename T>
void func(T&& param);
```
被推导的模板参数T将根据被传入参数类型被编码为左值或者右值。
编码机制是简单的。当左值被传入时T被推导为左值。当右值被传入时T被推导为非引用请注意不对称性左值被编码为左值引用右值被编码为非引用因此
```cpp
Widget widgetFactory(); // function returning rvalue
Widget w; // a variable(an lvalue)
func(w); // call func with lvalue; T deduced to be Widget&
func(widgetFactory()); // call func with rvalue; T deduced to be Widget
```
上面的两种调用中Widget被传入因为一个是左值一个是右值模板参数T被推导为不同的类型。正如我们很快看到的这决定了通用引用成为左值还是右值也是`std::forward`的工作基础。
在我们更加深入`std::forward`和通用引用之前必须明确在C++中引用的引用是非法的。不知道你是否尝试过下面的写法,编译器会报错:
```cpp
int x;
...
auto& & rx = x; //error! can't declare reference to reference
```
考虑下,如果一个左值传给模板函数的通用引用会发生什么:
```cpp
template<typename T>
void func(T&& param);
func(w); // invoke func with lvalue; T deduced as Widget&
```
如果我们把推导出来的类型带入回代码中看起来就像是这样:
```cpp
void func(Widget& && param);
```
引用的引用但是编译器没有报错。我们从Item24中了解到因为通用引用param被传入一个左值所以param的类型被推导为左值引用但是编译器如何采用T的推导类型的结果这是最终的函数签名
```cpp
void func(Widget& param);
```
答案是引用折叠。是的,禁止你声明引用的引用,但是编译器会在特定的上下文中使用,包括模板实例的例子。当编译器生成引用的引用时,引用折叠指导下一步发生什么。
存在两种类型的引用(左值和右值),所以有四种可能的引用组合(左值的左值,左值的右值,右值的右值,右值的左值)。如果一个上下文中允许引用的引用存在(比如,模板函数的实例化),引用根据规则折叠为单个引用:
> 如果任一引用为左值引用,则结果为左值引用。否则(即,如果引用都是右值引用),结果为右值引用
在我们上面的例子中将推导类型Widget&替换模板func会产生对左值引用的右值引用然后引用折叠规则告诉我们结果就是左值引用。
引用折叠是`std::forward`工作的一种关键机制。就像Item25中解释的一样`std::forward`应用在通用引用参数上,所以经常能看到这样使用:
```cpp
template<typename T>
void f(T&& fParam)
{
... // do some work
someFunc(std::forward<T>(fParam)); // forward fParam to someFunc
}
```
因为fParam是通用引用我们知道参数T的类型将在传入具体参数时被编码。`std::forward`的作用是当传入参数为右值时即T为非引用类型才将fParam左值转化为一个右值。
`std::forward`可以这样实现:
```cpp
template<typename T>
T&& forward(typename remove_reference<T>::type& param)
{
return static_cast<T&&>(param);
}
```
这不是标准库版本的实现(忽略了一些接口描述),但是为了理解`std::forward`的行为,这些差异无关紧要。
假设传入到f的Widget的左值类型。T被推导为Widget&,然后调用`std::forward`将初始化为`std::forward<Widget&>`。带入到上面的`std::forward`的实现中:
```cpp
Widget& && forward(typename remove_reference<Widget&>::type& param)
{
return static_cast<Widget& &&>(param);
}
```
`std::remove_reference<Widget&>::type`表示Widget查看Item9所以`std::forward`成为:
```cpp
Widget& && forward(Widget& param)
{
return static_cast<Widget& &&>(param);
}
```
根据引用折叠规则返回值和static_cast可以化简最终版本的`std::forward`就是
```cpp
Widget& forward(Widget& param)
{
return static_cast<Widget&>(param);
}
```
正如你所看到的当左值被传入到函数模板f时`std::forward`转发和返回的都是左值引用。内部的转换不做任何事因为param的类型已经是`Widget&`,所以转换没有影响。左值传入会返回左值引用。通过定义,左值引用就是左值,因此将左值传递给`std::forward`会返回左值,就像说的那样,完美转发。
现在假设一下传递给f的是一个`Widget`的右值。在这个例子中T的类型推导就是Widget。内部的`std::forward`因此转发`std::forward<Widget>`,带入回`std::forward`实现中:
```cpp
Widget&& forward(typename remove_reference<Widget>::type& param)
{
return static_cast<Widget&&>(param);
}
```
将`remove_reference`引用到非引用的类型上还是相同的类型,所以化简如下
```cpp
Widget&& forward(Widget& param)
{
return static_cast<Widget&&>(param);
}
```
这里没有引用的引用,所以不需要引用折叠,这就是最终版本。
从函数返回的右值引用被定义为右值,因此在这种情况下,`std::forward`会将f的参数fParam左值转换为右值。最终结果是传递给f的右值参数将作为右值转发给someFunc完美转发。
在C++14中`std::remove_reference_t`的存在使得实现变得更简单:
```cpp
template<typename T> // C++ 14; still in namepsace std
T&& forward(remove_reference_t<T>& param)
{
return static_cast<T&&>(param);
}
```
引用折叠发生在四种情况下。**第一**,也是最常见的就是模板实例化。**第二**是auto变量的类型生成具体细节类似模板实例化的分析因为类型推导基本与模板实例化雷同参见Item2。考虑下面的例子
```cpp
template<typename T>
void func(T&& param);
Widget widgetFactory(); // function returning rvalue
Widget w; // a variable(an lvalue)
func(w); // call func with lvalue; T deduced to be Widget&
func(widgetFactory()); // call func with rvalue; T deduced to be Widget
```
在auto的写法中规则是类似的`auto&& w1 = w;`初始化`w1`为一个左值因此为auto推导出类型`Widget&`。带回去就是`Widget& && w1 = w`,应用引用折叠规则,就是`Widget& w1 = w`,结果就是`w1`是一个左值引用。
另一方面,`auto&& w2 = widgetFactory();`使用右值初始化`w2`,非引用带回`Widget&& w2 = widgetFactory()`。没有引用的引用,这就是最终结果。
现在我们真正理解了Item24中引入的通用引用。通用引用不是一种新的引用它实际上是满足两个条件下的右值引用
- **通过类型推导将左值和右值区分**。T类型的左值被推导为&类型T类型的右值被推导为T
- **引用折叠的发生**
通用引用的概念是有用的,因为它使你不必一定意识到引用折叠的存在,从直觉上判断左值和右值的推导即可。
我说了有四种情况会发生引用折叠但是只讨论了两种模板实例化和auto的类型生成。**第三**是使用typedef和别名声明参见Item9如果在创建或者定义typedef过程中出现了引用的引用则引用折叠就会起作用。举例子来说假设我们有一个Widget的类模板该模板具有右值引用类型的嵌入式typedef
```cpp
template<typename T>
class Widget {
public:
typedef T&& RvalueRefToT;
...
};
```
假设我们使用左值引用实例化Widget
```cpp
Widget<int&> w;
```
就会出现
```cpp
typedef int& && RvalueRefToT;
```
引用折叠就会发挥作用:
```cpp
typedef int& RvalueRefToT;
```
这清楚表明我们为typedef选择的name可能不是我们希望的那样RvalueRefToT是左值引用的typedef当使用Widget被左值引用实例化时。
最后,**也是第四**中情况是decltype使用的情况如果在分析decltype期间出现了引用的引用引用折叠规则就会起作用关于decltype参见Item3
### 需要记住的事
- 引用折叠发生在四种情况模板实例化auto类型推导typedef的创建和别名声明decltype
- 当编译器生成了引用的引用时,结果通过引用折叠就是单个引用。有左值引用就是左值引用,否则就是右值引用
- 通用引用就是通过类型推导区分左值还是右值,并且引用折叠出现的右值引用

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## Item30
## Item30熟悉完美转发的失败case