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C++ 模板进阶知识——万能引用

article 2024/11/16 13:57:35

C++ 模板进阶知识——万能引用

万能引用是C++11中引入的一个高级特性，它允许函数模板参数根据传入的实参自动成为左值引用或右值引用。这一特性极大地增强了模板函数的灵活性和通用性，使得编写可同时处理左值和右值的通用代码成为可能。

1. 类型区别的基本含义

看看下面这行代码：

void func(const int &abc){}

如果问：abc是什么类型？你可以脱口而出：const int &类型。这没错，因为在代码中写着呢！

现在，把这个func()函数改造成一个函数模板：

template <typename T> 
void func(const T &abc) { }

在main()函数中添加代码调用一下：

func(10);

现在问题来了：T是什么类型？abc是什么类型？

答案是：

T的类型是int；
abc的类型是const int &。

通过观察，T的类型之所以是int，是因为进行函数调用的时候给的参数是10。这是对的，但不全面。T的类型不仅取决于调用时传入的参数，还取决于abc的声明方式（即const T &）。这种类型推导是理解万能引用的关键。接下来，我们探讨当abc的类型为万能引用时如何对T的类型产生影响。

2. 基本认识

Universal Reference（万能引用）后来被称为Forwarding Reference（转发引用）。万能引用是C++11引入的一个概念，它可以根据上下文自动成为左值引用或右值引用。万能引用是一种类型，与int类型类似。右值引用用&&符号表示，主要绑定到右值上，如：

int &&rv = 1000;

来看一个例子：

void myfunc(int &&tmprv) 
{
    std::cout << tmprv << std::endl;
}

在main()函数中添加代码：

myfunc(10); // 正确，右值作为实参 
int i = 100; 
myfunc(i); // 错误，右值引用不能绑定左值

将myfunc()函数改造成函数模板：

template <typename T> 
void myfunc(T&& tmprv)
{ 
    std::cout << tmprv << std::endl; 
}

编译后发现myfunc(i);不再报错。原因是这里的tmprv既能接受左值，也能接受右值，这就是万能引用。

万能引用存在两种语境：

必须是函数模板；
必须发生模板类型推断，并且函数模板形参形如T&&。

万能引用的格式为T&&，它与右值引用形式相同，但解释不同。右值引用作为函数形参时，实参必须传递右值；万能引用则可以绑定左值或右值。因此，万能引用更灵活，它可以变成左值引用或右值引用。

3. 判断题

判断以下参数类型是右值引用还是万能引用：

void func(int &&param){...}
- 右值引用，因为func()不是函数模板。
template<typename T> void func(T&& tmpvalue) {...}
- 万能引用。
template<typename T> void func (std::vector<T>&&param) {...}
- 右值引用。虽然有T&&，但T被嵌套在vector中，失去了直接的类型推导，因此不是万能引用。

4. 万能引用的示例

template <typename T>
void myfunc(T&& tmprv) 
{
    tmprv = 12; // 不管tmprv的类型是左值引用还是右值引用，都可以给tmprv赋值
    std::cout << tmprv << std::endl;
}

int main()
{
    int i = 100; 
    myfunc(i); // 左值被传递，因此tmprv是左值引用，执行完毕后i值变成12
    
    i = 200;
    myfunc(std::move(i)); // 右值被传递，因此tmprv是右值引用，执行完毕后i值变成12
}

通过以上内容，理解了万能引用的概念和应用。万能引用不仅与右值引用相似，但其存在的场景要求T是类型模板参数，并且后面跟随&&。万能引用灵活且强大，可以根据实际情况绑定到左值或右值。

5. 万能引用资格的剥夺与辨认

万能引用（Forwarding Reference）是一个强大的特性，可以在不同的上下文中表现为左值引用或右值引用。然而，某些情况下，一个本应是万能引用的表达式会失去这个资格。理解何时发生这种剥夺以及如何辨认万能引用，对于高效利用C++的模板编程至关重要。

5.1 剥夺

万能引用的资格可以被以下几种情况剥夺：

类型说明符的存在：
- 如果在类型声明中使用了const、volatile等类型修饰符，那么这个引用将不再是万能引用。例如，const T&&不是万能引用，而是一个常量右值引用。
- ```
template<typename T>
void func(const T&& param) {} // 这里的param是常量右值引用，不是万能引用
```

类型不直接为T&&：

如果类型通过别名（typedef或using）间接定义，那么它不再是万能引用。例如：

template<typename T>
using myType = T&&;
template<typename T>
void func(myType<T> param) {} // 这里的param不是万能引用

数组或函数类型：

如果T是数组或函数类型，那么即使使用了T&&的形式，也不是万能引用。

template<typename T>
void func(T&& param) {}
// 如果T是数组类型 int arr[10]; 则func(arr)中的param不是万能引用
// 如果T是函数类型 void f(); 则func(f)中的param不是万能引用

模板实例化时T已确定：

如果在模板实例化时类型T已经明确，则T&&不再具备万能引用的特性，而是变成了普通的右值引用。

template<typename T>
void func(T&& param) {}
int main() 
{
    int a = 10;
    func<int&>(a);  // 在这里，T被显式指定为int&，所以T&&变为int& &&，即int&
}

5.2 辨认

要辨认一个引用是否为万能引用，可以遵循以下规则：

检查是否在函数模板中：
- 确保正在查看的代码位于模板函数中，且涉及类型推断。
直接形式为T&&：
- 引用必须直接声明为T&&，其中T是模板参数，并且没有任何修饰（如const或volatile）。
无类型别名：
- 确保T&&没有通过类型别名定义。直接使用原始形式。
模板类型参数推断参与：
- 确保在函数调用时存在模板类型参数的推断。如果模板参数在函数调用前已确定，那么该引用就可能不是万能引用。

下面是一些例子来帮助辨认：

template<typename T>
void example1(T&& arg) { }  // 万能引用

template<typename T>
void example2(const T&& arg) { }  // 非万能引用，是const修饰的右值引用

template<typename T>
using RefType = T&&;
template<typename T>
void example3(RefType<T> arg) { }  // 非万能引用，使用了类型别名

int main() {
    int a = 10;
    example1(a);  // T被推导为int&
    example1(10); // T被推导为int
}