浅谈C++中的万能引用与完美转发

事实上，这篇文章可能不止讲万能引用与完美转发。
（可能前摇有点过长）

发生了什么？

之前在野路子写c++的时候，完全忽视了c++是一门面向对象语言的事实，所以对许多编译报错的事情都感到十分疑惑，只能愚笨地这边改改，那边改改来试错。当别人说，对vector要用.emplace_back()，比.push_back()更快的时候，也是知其然而不知其所以然。所以对他们的写法不同，也只是抱着一种默认的态度。可是到底发生了什么呢？

左值引用与右值引用

众所周知，引用，在c++中，最初是以“别名”的形式存在的。也就是说，int &a = b;也就是我把变量b起了个别名叫a。这听起来好像没什么用，但是在函数上就非常有用了。

以C语言的思维，函数的参数列表传入实参，内部的修改都是针对形参的。也就是说，如果按值传递，不可能在函数内部对传入的实参进行修改。这其实很好理解：传入参数，实际上也就是把实参拷贝了一份给形参，拷贝完之后，这两个变量就再无瓜葛了。所以在C语言中，要想修改外部变量的值只能使用指针，也就是*这个符号。

RAII

当然咯，由于某些原因，现代c++在大多数时候都是不推荐使用原始的指针的。为什么呢？这不应该是发展光辉历程中浓墨重彩的一笔么？

现代C++最重要的编程准则之一，即 RAII (Resource Acquisition Is Initialization)。原始指针在管理动态分配的内存时，存在一系列的经典问题：

1. 所有权不明确：当你从一个函数接收到一个原始指针时，你无法仅从指针类型本身知道谁负责 delete 它。是你自己？还是调用者？还是别的什么东西？这种模糊性是内存泄漏和重复释放的根源。
2. 内存泄漏：如果你忘记 delete 一个通过 new 分配的指针，就会发生内存泄漏。在有多个返回路径或可能抛出异常的复杂函数中，确保在任何情况下都能正确 delete 是非常困难且容易出错的。
3. 悬垂指针 (Dangling Pointers)：当一个指针指向的内存已经被 delete，但该指针本身没有被置为 nullptr 时，它就成了悬垂指针。后续对这个指针的任何解引用都会导致未定义行为（通常是程序崩溃）。
4. 重复释放 (Double Free)：多次 delete 同一块内存会导致未定义行为。
   
   所以说引用这个东西被加入了之后，就可以替代原来的指针在形参列表中的生态位了，我们给实参起了一个“别名”，那我们给这个别名修改，不就相当于修改它本身嘛。

左值和右值

• 左值 (Lvalue - “Locator Value”): 指的是那些在内存中有固定位置、有名字、可以被取地址的表达式。简单来说，它们是“持久的”对象。
  • 例如：变量 x、数组元素 arr[0]、返回左值引用的函数调用等。
  • 你可以把它放在赋值符号 (=) 的左边。
• 右值 (Rvalue - “Read Value”): 指的是那些临时的、没有名字、即将被销毁的表达式。它们通常是计算过程中产生的中间结果。
  • 例如：字面量 10、true、表达式 x + y 的结果、返回一个值的函数调用 get_value() 等。
  • 你通常不能把它放在赋值符号 (=) 的左边（不能对一个临时值赋值）。

（说实话，我也是第一次知道lvalue/rvalue的l和r不是left和right。）

那么出现了引用之后，我们会发现，刚刚提到的所有的引用全都是左值引用。右值有没有引用呢？乍一想，对一个不能更改的值搞一个引用的功能好像没什么意义，但是右值引用有别的妙用——移动语义。

也就是说，一个右值可以像”移动“一样，传来传去，这个人有了，另一个人就没了。这好像更像真实世界的物质交换原则，而非信息交换。但是这肯定也是有好处的。

我们知道，赋值实际上是通过”拷贝“来实现的。我某一个空间，有一个1MB的数据；想要给另一个空间，就得从这个空间中，一点一点地扫描，复制，直到拷贝完毕。哪怕是左值引用，在编译器底层基本上也是靠拷贝“指针”的类似物来实现的。这样肯定有性能开销。那如果一个空间用完就不用了，想给另外一个了，就可以移动赋值了。

哪怕一个变量不是右值引用，也可以通过std::move()函数来把它当作一个右值引用来移动，当然，原本变量的也就跟右值一样被销毁了。

其实最开始提到的.push_back()方法也是支持移动语义的。但是为什么它还是慢呢？

万能引用(Universal references)

随着对C++性能的进一步满足，似乎某些需求也进一步增长了。

cvref

刚刚提到，在函数的形参列表中可以设置左值引用/右值引用。虽然说int 和int&本质上不是同一种类型，但是他们肯定是有关联的。&就好像int这个类的一个修饰符一样。事实上这类修饰符有以下几种：

• const : 常数、不能修改。
• volatile : 告诉编译器这个变量只能储存在内存中，不能被优化到寄存器等其他地方。
• & : 左值引用。
• && : 右值引用。
  这几种被合称为cvref，是一个类型的“修饰层”。std::remove_cvref 这个标准库工具的设计目的就是：剥去一个类型所有的外层修饰，还原其最核心的、未被修饰的类型。

为什么没有指针*？因为指针不是在修饰一个类型，而是构造了一个全新的、不同的类型。

编写形参列表时遇到的困难

我们在编写一个函数的时候，肯定希望一个变量以最快的方式传到函数体内。为此，左值有了左值引用，右值有了右值引用。这让我们可以以最高效率的方式获取到变量的值。

可是，我们往往是不知道传入的实参到底是个什么类型。如果形参列表里面是这样的：

void func(int& a, int& b)

这样接收左值的效率肯定很高，但是就根本不能接收右值了。

那全改成右值引用呢？那就根本不能接收左值了。

可以发现我们遇到了一个小困难。也就是如果我们在一个参数里面又想填左值又想填右值，那使用左值引用/右值引用似乎就不行了，我们要么排列组合把所有情况全考虑进去（那会指数级增长，根本不可能），要么我们就直接放弃使用引用，改为拷贝赋值，这似乎又不是很能接受了。

自动类型推导

这时候主角就登场了。所谓万能引用，也就是能自动推导引用的类型。

万能引用可以这样写：

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

虽然看上去他是一个右值引用，但实际上它并不是。当它在类型推导上下文中出现时， T&& 会获得特殊含义。 T 取决于传递给 func 的参数是左值还是右值。如果是类型为 U 的左值， T 会被推导为 U& 。如果是右值， T 会被推导为 U 。我们把它称为”万能“引用，因为它不仅能推导引用，而且可以推导出所有的cvref属性。

那这样，模板T的右值引用该怎么表示？这个时候就必须解释一个看似没有什么用的规则——引用折叠规则了。

引用折叠

指针可以嵌套，引用也可以嵌套。左值引用和右值引用之间也可以嵌套，那这样不是套的没边了吗？可是引用比指针优越的一点是，它是可以“折叠”的。所以，就算看起来左值引用和右值引用在套来套去，可是最后表现出来只有要么左值引用，要么右值引用。

引用折叠的规则如下：

& 总是获胜。所以 & & 是 & ， && & 和 & && 也是。唯一能从折叠中产生 && 的情况是 && && 。你可以把它看作是一个逻辑或，其中 & 是 1 而 && 是 0。

对于刚刚所提到的代码

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

，我们可以分步对这个代码进行拆解。1. 传入值的类型， 2. 类型T被推导成什么，3. param 最终的类型。

传入参数 arg 的类型	arg 的值类别	T 被推导成什么	param 的最终类型 (T&&)
左值 (Lvalue)，例如 int x	左值	int&	int&
右值 (Rvalue)，例如 10	右值	int	int&&
左值引用 (Lvalue Ref)，例如 int& ref	左值	int&	int&
右值引用 (Rvalue Ref)，例如 int&& rref	左值	int&	int&
注意，一个具名的右值引用是左值。

我们可以从这个表看出，正是有了引用折叠的这个特性，万能引用才能够通过这个特性来达到“万能”的效果。所以，所谓”万能引用“，其实是”在类型推导上下文中的右值引用“。

完美转发

正如我们可以把一个对象使用std::move()来将他当作一个右值来转发，对于万能引用我们有什么办法能来转发呢？

那对于“万能引用”逼格这么高的名字，肯定也要一个高逼格的名字来转发它——完美转发。我们使用std::forward()来使用完美转发。它的具体实现如下：

template<class T>
T&& forward(typename std::remove_reference<T>::type& t) noexcept {
  return static_cast<T&&>(t);
}

template <class T>
T&& forward(typename std::remove_reference<T>::type&& t) noexcept {
  return static_cast<T&&>(t);
}

应用刚才的引用折叠规则，我们也不难推断出，这样就能把各种类型的引用原样转发出去了。

所以发生了什么？

当我们发现了完美转发这个东西的存在之后，我们就可以了解 .emplace_back() 的快速之处了。

经典的 .push_back() 虽然也支持移动语义，但是必然的是，它也只能支持我们先在 push_back括号里面的表达式中，先把我们要移动的东西给构造出来，然后在把它push到vector里面。而且它对于左值是万万不可使用引用，只能使用拷贝的。

但是 .emplace_back() 中，我们不急于去构造这个对象，而是先把参数列表里面的东西全部 “完美转发” 到vector中，在vector内部去构造这个对象。

具体对比下来就是

.push_back()的性能开销：普通构造+移动构造+析构
.emplace_back()的性能开销：普通构造。

那关于万能引用和完美转发其实还有很多新内容，可是这里太小了，我写不下，还是等到下一篇再写罢。

此篇博客献给我的一位可爱的学弟，祝他在未来事事顺意。

ref

Perfect forwarding and universal references in C++ - Eli Bendersky’s website
c++中为什么push_back({1,2})可以，emplace_back({1,2})会报错? - 知乎