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title: "C++ 中的 std::forward"
date: 2023-07-31T17:10:01+08:00
tags: [ cpp ]
categories: [ tech ]
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description: "std::forward 的目的是将一个左值保持引用状态不变传递给其他函数，本博客将介绍它所解决的问题和实现详情。"
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`std::forward` 的目的是将一个左值保持引用状态不变传递给其他函数，本博客将介绍它所解决的问题和实现详情。

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## 前置知识

### 引用折叠

[引用折叠](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/reference#Reference_collapsing) 表现起来像是创建了引用的引用，如指向一个左值的左引用、指向左值引用的左引用，此时引用将会折叠，最终得到一个左引用或右引用。

直接写 `int & &&` 是不被允许的，但是在对一个类型添加修饰时，关于引用的修饰将会按照下面的规则折叠。可以简单记为只有两个右引用才可以折叠得到右引用，其他组合只能得到左引用。

```cpp
typedef int&  lref;
typedef int&& rref;
int n;

lref&  r1 = n; // type of r1 is int&
lref&& r2 = n; // type of r2 is int&
rref&  r3 = n; // type of r3 is int&
rref&& r4 = 1; // type of r4 is int&&
```

### 转发引用

[转发引用](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/reference#Forwarding_references) 可以接收左引用或右引用，同时能够做到保留函数参数的类别（category，如左值和右值等），它可以使用下面两种方式定义：

1. cv-unqualified （即无 const 或 volatile 修饰）的类型模板参数（type template parameter）的右引用作为函数参数，其中类型模板参数来自于该模板函数的模板声明。

    理解要点：

    1. cv-unqualified，如使用 const 修饰以后 `template <typename T> void f(const T && r)` 不是转发引用。
    2. 类型模板参数，而非“非类型模板参数（non-type template parameter）”，如 `template <typename T> void f(T&&r)` 是转发引用，而 `template <int A>` 不是。
    3. 右引用，如 `template <typename T> void f(T&r)` 不是转发引用。
    4. 作为函数参数，如作为模板类中 `template <typename T> class A { T&& r; };` 中的 r 不是转发引用。
    5. 类型模板来自该模板函数的模板声明，如使用模板类的类型模板参数 `template <typename T> class A { void f(T&&r); };` 不是转发引用。

2. 除花括号初始化列表之外的 `auto&&` ，本文不做展开。

### 一个例子

```cpp
template <typename T>
void f(T && t) {
    // do something with t
}
```

当上面的函数 `f` 接受一个左值（如 `int a; f(a)`）作为参数时，只需要令 `T &&` 在经过引用折叠后是一个左引用即可，因此 T 被推导为一个左引用（如 `int&`）。

当接受一个右值（如 `f(1)`）作为参数时，令 T 为 `int`，`T&&` 就成为 `int&&`，从而成功进行函数调用。

## 问题引出

```cpp
#include <iostream>

class A {
public:
    A()                 {  }
    A(const A & a)      { std::cout << "copy construct" << std::endl; }
    A(A && a)           { std::cout << "move construct" << std::endl; }
    void do_something() {  }
};

template <typename T>
void handle(T && t) {
    A a = A(std::forward<T>(t));
    a.do_something();
}

template <typename T>
void handle_without_forward(T && t) {
    A a = A(t);
    a.do_something();
}

int main() {
    A a;
    handle(a);                      // copy construct
    handle(A());                    // move construct

    handle_without_forward(a);      // copy construct
    handle_without_forward(A());    // copy construct
    return 0;
}
```

上面的代码是一个场景举例，在不考虑 `std::forward` 时，我们的 `handle_without_forward` 接受一个左值或右值作为函数参数，但是在进入该函数以后，原来的右值 `A()` 具有了名字 `t` 而成为了左值，因而接下来也只能调用拷贝构造而非移动构造，那么如何保持 `t` 的右值类别去调用移动构造函数（或其他具有右值引用参数的函数）呢？这个问题在介绍 `std::forward` 的实现中再解答。

## std::forward 的实现解析

下面是 gcc 中 `std::forward` 的 [实现](https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/5c8b154c56a65faf64dfc5f8852e801150cb2f26/libstdc%2B%2B-v3/include/bits/move.h#L61-L87) ：

```cpp
  /**
   *  @brief  Forward an lvalue.
   *  @return The parameter cast to the specified type.
   *
   *  This function is used to implement "perfect forwarding".
   */
  template<typename _Tp>
    _GLIBCXX_NODISCARD
    constexpr _Tp&&
    forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type& __t) noexcept
    { return static_cast<_Tp&&>(__t); }

  /**
   *  @brief  Forward an rvalue.
   *  @return The parameter cast to the specified type.
   *
   *  This function is used to implement "perfect forwarding".
   */
  template<typename _Tp>
    _GLIBCXX_NODISCARD
    constexpr _Tp&&
    forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type&& __t) noexcept
    {
      static_assert(!std::is_lvalue_reference<_Tp>::value,
          "std::forward must not be used to convert an rvalue to an lvalue");
      return static_cast<_Tp&&>(__t);
    }
```

在两个重载实现中，模板参数 `_Tp` 为左引用时，经过引用折叠返回类型为左引用（第二个重载实现会由于断言而编译失败）；`_Tp` 为右引用或非引用类型时，经过引用折叠返回类型为右引用。

两个重载实现的不同点仅为一个只接受左值而另一个只接受右值（不是类型模板参数的直接右引用，所以不能使用转发引用，所以需要主动写出来两种重载实现）。

注意 `std::forward` 的模板参数无法被自动推导，所以在调用时显式指明模板参数是必须的，`std::forward` 的返回值类型也**只**由模板参数来决定。

## 解决问题

回到我们遇到的问题，在 handle 中我们使用 `std::forward<T>(t)` 来作为调用构造函数的参数，并且从输出中可以看到它的工作符合我们的期望，结合 `std::forward` 的源码来梳理一下最后如何分别调用到拷贝构造和移动构造的：

1. `handle` 接受 `a` 作为参数时，T 被推导为 `A&` （引用折叠）并直接作为 `std::forward` 的模板参数，使 `_Tp` 为 `A&`，于是 `std::forward` 的返回类型为 `A&` （引用折叠），因此最后调用到拷贝构造函数
2. `handle` 接受 `A()` 作为参数时，`T` 被推导为 `A`，进而 `_Tp` 成为 `A`，进而 `std::forward` 返回类型为 `A&&`，再加上该返回值不具名，于是成功调用移动构造函数