item 24: 區分右值引用和universal引用

来源:http://www.cnblogs.com/boydfd/archive/2016/03/07/5251797.html
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本文翻譯自《effective modern C++》,由於水平有限,故無法保證翻譯完全正確,歡迎指出錯誤。謝謝! 古人曾說事情的真相會讓你覺得很自在,但是在適當的情況下,一個良好的謊言同樣能解放你。這個Item就是這樣一個謊言。但是,因為我們在和軟體打交道,所以讓我們避開“謊言”這個詞,換句話來說


本文翻譯自《effective modern C++》,由於水平有限,故無法保證翻譯完全正確,歡迎指出錯誤。謝謝!

古人曾說事情的真相會讓你覺得很自在,但是在適當的情況下,一個良好的謊言同樣能解放你。這個Item就是這樣一個謊言。但是,因為我們在和軟體打交道,所以讓我們避開“謊言”這個詞,換句話來說:本Item是由“抽象”組成的。

為了聲明一個指向T類型的右值引用,你會寫T&&。因此我們可以“合理”地假設:如果你在源代碼中看到“T&&”,你就看到了一個右值引用。可惜地是,它沒有這麼簡單:

void f(Widget&& param);         // 右值引用

Widget&& var1 = Widget();       // 右值引用

auto&& var2 = var1;             // 不是右值引用

template<typename T>
void f(std::vector<T>&& param); // 右值引用

template<typename T>
void f(T&& param);              // 不是右值引用

事實上,“T&&”有兩個不同的意思。當然,其中一個是右值引用。這樣引用行為就是你所期望的:它們只綁定到右值上去,並且它們的主要職責就是去明確一個對象是可以被move的。

“T&&”的另外一個意思不是左值引用也不是右值引用。這樣的引用看起來像是在源文件中的右值引用(也就是,“T&&”),但是它能表現得像是一個左值引用(也就是“T&”)一樣。它這樣的兩重意義讓它能綁定到左值(就像左值引用)上去,也能綁定到左值(就像左值引用)上去。另外,它能綁定到const或非const對象上去,也能綁定到volatile或非volatile對象上去,甚至能綁定到const加volatile的對象上去。它能綁定到幾乎任何東西上去。這樣空前靈活的引用理應擁有它們自己的名字,我叫它們universal引用(萬能引用)。

universal引用出現在兩種上下文中。最通用的情況是在函數模板參數中,就像來自於上面示例代碼的這個例子一樣:

template<typename T>
void f(T&& param);              // param是一個universal引用

第二個情況是auto聲明,包括上面示例代碼中的這一行代碼:

auto&& var2 = var1;             // var2是一個universal引用

這兩個情況的共同點就是它們都存在類型推導。在模板f中,param的類型正在被推導,並且在var2的聲明式中,var2的類型正在被推導。把它們和下麵的例子(它們不存在類型推導,同樣來自上面的示例代碼)比較一下,可以發現,如果你看到不存在類型推導的“T&&”時,你能把它視為右值引用:

void f(Widget&& param);         // 沒有類型推導
                                // param是右值引用

Widget&& var1 = Widget();       // 沒有類型推導
                                // param是右值引用

因為universal引用是引用,它們必須被初始化。universal引用的初始化決定了它代表一個右值還是一個左值。如果初始化為一個右值,universal引用對應右值引用。如果初始化為一個左值,universal引用對應一個左值引用。對於那些屬於函數參數的universal引用,它在調用的地方被初始化:

template<typename T>
void f(T&& param);              // param是一個universal引用

Widget w;
f(w);                           // 左值被傳給f,param的類型是
                                // Widget&(也就是一個左值引用)

f(std::move(w));                // 右值被傳給f,param的類型是
                                // Widget&&(也就是一個右值引用)

要讓一個引用成為universal引用,類型推導是其必要不補充條件。引用聲明的格式必須同時正確才行,而且格式很嚴格。它必須正好是“T&&”。再看一次這個我們之前在示例代碼中看過的例子:

template<typename T>
void f(std::vector<T>&& param); // param是一個右值引用

當f被調用時,類型T將被推導(除非調用者顯式地指定它,這種邊緣情況我們不關心)。但是param類型推導的格式不是“T&&”,而是“std::vector&&”。按照上面的規則,排除了param成為一個universal引用的可能性。因此param是一個右值引用,有時候你的編譯器會很高興地為你確認你是否傳入了一個左值給f:

std::vector<int> v;
f(v);                           // 錯誤!不能綁定一個左值到右值
                                // 引用上去

甚至一個簡單的const屬性的出場就足以取消引用成為universal的資格:

template<typename T>
void f(const T&& param);        // param是一個右值引用

如果你在一個模板中,並且你看到一個“T&&”類型的函數參數,你可能覺得你能假設它是一個universal引用。但是你不能,因為在模板中不能保證類型推導的存在。考慮一下std::vector中的這個push_back成員函數:

template<class T, class Allocator = allocator<T>>       //來自c++標準庫
class vector {
public:
    void push_back(T&& x);
    ...
};

push_back的參數完全符合universal引用的格式,但是在這個情況中沒有類型推導發生。因為push_back不能存在於vector的特定實例之外,並且實例的類型就完全能決定push_back的聲明類型了。也就是說

    std::vector<Widget> v;

使得std::vector模板被實例化為下麵這樣:

class vector<Widget, allocator<Widget>> {
public:
    void push_back(Widget&& x);     //右值引用
    ...
};

現在你能清楚地發現push_back沒有用到類型推導。vector的這個push_back(vector中有兩個push_back函數)總是聲明一個類型是rvalue-reference-to-T(指向T的右值引用)的參數。

不同的是,std::vector中和push_back概念上相似的emplace_back成員函數用到了類型推導:

template<class T, class Allocator = allocator<T>>
class vector {
public:
    template <class... Args>
    void emplace_back(Args&&... args);
    ...
};

在這裡,類型參數Args獨立於vector的類型參數T,所以每次emplace_back被調用的時候,Args必須被推導。(好吧,Args事實上是一個參數包,不是一個類型參數,但是為了討論的目的,我們能把它視為一個類型參數。)

事實上emplace_back的類型參數被命名為Args(不是T),但是它仍然是一個universal引用,之前我說universal引用的格式必須是“T&&”。在這裡重申一下,我沒要求你必須使用名字T。舉個例子。下麵的模板使用一個universal引用,因為格式(“type&&”)是正確的,並且param的類型將被推導(再說一次,除了調用者顯式指定類型的邊緣情況):

    template<typename MyTemplateType>       // param是一個
    void someFunc(MyTemplateType&& param);  // universal引用

我之前說過auto變數也能是universal引用。更加精確一些,用auto&&的格式被推導的變數是universal引用,因為類型推導有發生,並且它有正確的格式(“T&&”)。auto universal引用不像用於函數模板參數的universal引用那麼常見,但是他們有時候會在C++11中突然出現。他們在C++14中出現的頻率更高,因為C++14的lambda表達式可以聲明auto&&參數。舉個例子,如果你想要寫一個C++14的lambda來記錄任意函數調用花費的時間,你能這麼做:

auto timeFuncInvocation =
    [](auto&& func, auto&&... param)
    {
        start timer;
        std::forward<decltype(func)>(func){             // 用params
            std::forward<decltype(params)>(params)...   // 調用func
        };
        停止timer並記錄逝去的時間。
    };

如果你對lambda中“std::forward”(譯註:blah blah blah發音為:布拉布拉布拉)的代碼感到困惑,這可能只是意味著你還沒讀過Item 33.不要擔心這件事。在本Item中,重要的事情是lambda表達式中聲明的auto&&參數。func是一個universal引用,它能被綁定到任何調用的對象上去,不管是左值還是右值。params(譯註:原文為args,應該是筆誤)是0個或多個universal引用(也就是一個universal引用包),它能被綁定到任何數量的任意類型的對象上去。結果就是,由於auto universal引用的存在,timeFuncInvocation能給絕大多數函數的執行進行計時。(對於為什麼是絕大多數而不是任意,請看Item 30。)

把這件事記在心裡:我們這整個Item(universal引用的基礎)都是一個謊言...額,一個“抽象”!潛在的事實被稱為引用摺疊,這個話題會在Item 28中專門討論。但是事實並不會讓抽象失效。區分右值引用和universal引用將幫助你更精確地閱讀源代碼(“我看到的T&&只能綁定到右值上,還是能綁定到所有東西上呢?”),並且在你和同事討論的時候,它能讓你避免歧義。(“我在這裡使用一個universal引用,不是一個右值引用...”)。它也能讓你搞懂Item 25和Item 26的意思,這兩個Item都依賴於這兩個引用的區別。所以,擁抱抽象並陶醉於此吧。就像牛頓的運動定律(學術上來說是錯誤的)一樣,比起愛因斯坦的相對論(“事實”)來說它通常一樣好用並且更簡單,universal引用的概念也是這樣,比起工作在引用摺疊的細節來說,它是更好的選擇。

            你要記住的事
  • 如果一個函數模板參數有T&&的格式,並且會被推導,或者一個對象使用auto&&來聲明,那麼參數或對象就是一個universal引用。
  • 如果類型推導的格式不是準確的type&&,或者如果類型推導沒有發生,type&&就是一個右值引用。
  • 如果用右值來初始化,universal引用相當於右值引用。如果用左值來初始化,則相當於左值引用。

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