推荐|C++之std::forward(完美转发)

概述

std::forward是C++11引入的函数模板，它的作用是实现函数参数的完美转发，通俗的讲就是根据传入的参数，决定将参数以左值引用还是右值引用的方式进行转发。

std::forward原型：


//左值版本
template <class _Ty>
_NODISCARD constexpr _Ty&& forward(
    remove_reference_t<_Ty>& _Arg) noexcept { // forward an lvalue as either an lvalue or an rvalue
    return static_cast<_Ty&&>(_Arg);
}
 
//右值版本
template <class _Ty>
_NODISCARD constexpr _Ty&& forward(remove_reference_t<_Ty>&& _Arg) noexcept { // forward an rvalue as an rvalue
    static_assert(!is_lvalue_reference_v<_Ty>, "bad forward call");
    return static_cast<_Ty&&>(_Arg);
}

完美转发原理

在C++中，存在左值（lvalue）和右值（rvalue）的概念。关于左值和右值的概念，自己可以查询相关资料。简单来说，左值是指可以取地址的、具有持久性的对象，而右值是指不能取地址的、临时生成的对象。传统上，当一个左值传递给一个函数时，参数会以左值引用的方式进行传递；当一个右值传递给一个函数时，参数会以右值引用的方式进行传递。

以VS2019的std::forward源码实现来讲解：

1. 当传递给func函数的实参类型为左值QObject时，T被推导为QObject&类别。然后forward会实例化为std::forward，并返回QObject&（左值引用，根据定义是个左值！）

2. 而当传递给func函数的实参类型为右值QObject时，T被推导为QObject。然后forward被实例化为std::forward，并返回QObject&&（注意，匿名的右值引用是个右值！）

3. 可见，std::forward会根据传递给func函数实参（注意，不是形参）的左/右值类型进行转发。当传给func函数左值实参时，forward返回左值引用，并将该左值转发给doWork。而当传入func的实参为右值时，forward返回右值引用，并将该右值转发给doWork函数。

完美转发失败的情形

在std::forward中，失败的情况其实就是完美转发的目的没有达到，甚至根本无法实现

1、花括号的初始化方式调用


#include 
#include 
 
void test(const std::array<int,5> ¶m){}
 
template<typename T>
void func(T&& t)
{
    test(std::forward(t));
}
int main()
{
    std::array<int, 5> arr = {0,1,2};
    func(arr);
   // func({0,1,2,3,4});
}

解决方案：先用auto声明一个局部变量，再将该局部变量传递给转发函数。

2、0或者NULL做为空指针传递

其实这个也是c++11后强调使用nullptr做为指针的空值的一个重要原因。之所以会这样，是因为0和NULL往往会被默认转成为int类型，这也是在早期的C编译器中经常遇到的一个编译现象，就是“XXX无法转成int”其实就是写错了，但默认就是往int上靠，这个没办法。一如下面：


void test( void *ptr){}
 
template<typename T>
void func(T&& t)
{
    test(std::forward(t));
}
int main()
{
    func(0);
}

解决方案：传递nullptr，而非0或NULL

3、static const的应用(含constexpr)


void test(int i){}
 
class Data {
public:
    static const int d_ = 1;
};
//const  int Data::d_ ;
 
template<typename T>
void func(T&& t)
{
    test(std::forward(t));
}
int main()
{
    func(Data::d_);
}

这段代码在VS中可以成功运行，但在g++中会报一个链接错误“ undefined reference to Data::d_ collect2: error: ld returned 1 exit status”。VS中对编译和链接相对来说还是宽松一些。
想通过连接只需要把注释的部分解开就可以了。
解决方案：在类外定义该成员变量。注意这声变量在声明时一般会先给初始值。因此定义时无需也不能再重复指定初始值

4、对重载和模板的函数名处理
这句话的意思是指在完美转发时如果参数是一个函数名称，那么如果这个函数名称的函数如果存在重载（或是模板）的话，在普通编程的直接调用情况下是没有问题，但是在完美转发时，不管是直接调用名称还是使用模板函数时会存在转发的错误。看下面的代码就理解了


void myfunc_test(void func(int)) {}
 
void myfunc(int a) {}
void myfunc(int a, int b) {}
 
template<typename T>
void dotest(T t){}
template<typename T>
void func(T&& t)
{
    myfunc_test(std::forward(t));
}
 
int main()
{
   // func(myfunc);
   // func(dotest);
    myfunc_test(myfunc);
}

一般来说，传递函数做为函数参数时，用函数指针的情况很多，但也应该知道，也可以直接传递函数名称而不是指针的情况来操作。上面的代码就是这样，就会出现本节的问题。但是如果直接调用函数myfunc_test而非完美转发，则没有问题。同样，函数模板也是如此，因为函数模板毕竟不是一个实例，而是一组类似实例的泛型。
想要解决这个问题也很简单，依照着普通编译成功的方式，采用指针的方式直接指明调用的函数即可，模板也同样如此。
5、位字段

位域是由机器字的若干任意部分组成的（如32位int的第3至5个比特），但这样的实体是无法直接取地址的。而fwd的形参是个引用，本质上就是指针，所以也没有办法创建指向任意比特的指针。

解决方案：制作位域值的副本，并以该副本来调用转发函数。


struct xxxxx
{
    std::uint32_t v: 4,
                  I : 4,
                  D : 6,
                  E : 2,
                  t : 16;
    //...
};
 
void test(std::uint16_t  v) {}
 
template<typename T>
void func(T&& t)
{
    test(std::forward(t));
}
int main()
{
   xxxxx ip = {};
    test(ip.t);  //调用void func(int)
    //func(ip.t); //error，func形参是引用，由于位域是比特位组成。无法创建比特位的引用！
 
    //解决方案：创建位域的副本，并传给func
    auto length = static_castuint16_t>(ip.t);
    func(length);
}

实例讲解

实例：


template <typename _Callable, typename... _Types>
auto invoke(_Callable&& obj, _Types... argv)
{
	return _Invoke<_Callable, _Types...>::_Call(
		std::forward<_Callable>(obj),
		std::forward<_Types>(argv)...);
}

概述

std::forward原型：


//左值版本
template <class _Ty>
_NODISCARD constexpr _Ty&& forward(
    remove_reference_t<_Ty>& _Arg) noexcept { // forward an lvalue as either an lvalue or an rvalue
    return static_cast<_Ty&&>(_Arg);
}
 
//右值版本
template <class _Ty>
_NODISCARD constexpr _Ty&& forward(remove_reference_t<_Ty>&& _Arg) noexcept { // forward an rvalue as an rvalue
    static_assert(!is_lvalue_reference_v<_Ty>, "bad forward call");
    return static_cast<_Ty&&>(_Arg);
}

完美转发原理

以VS2019的std::forward源码实现来讲解：

2. 而当传递给func函数的实参类型为右值QObject时，T被推导为QObject。然后forward被实例化为std::forward，并返回QObject&&（注意，匿名的右值引用是个右值！）

完美转发失败的情形

在std::forward中，失败的情况其实就是完美转发的目的没有达到，甚至根本无法实现

1、花括号的初始化方式调用


#include 
#include 
 
void test(const std::array<int,5> ¶m){}
 
template<typename T>
void func(T&& t)
{
    test(std::forward(t));
}
int main()
{
    std::array<int, 5> arr = {0,1,2};
    func(arr);
   // func({0,1,2,3,4});
}

解决方案：先用auto声明一个局部变量，再将该局部变量传递给转发函数。

2、0或者NULL做为空指针传递


void test( void *ptr){}
 
template<typename T>
void func(T&& t)
{
    test(std::forward(t));
}
int main()
{
    func(0);
}

解决方案：传递nullptr，而非0或NULL

3、static const的应用(含constexpr)


void test(int i){}
 
class Data {
public:
    static const int d_ = 1;
};
//const  int Data::d_ ;
 
template<typename T>
void func(T&& t)
{
    test(std::forward(t));
}
int main()
{
    func(Data::d_);
}


void myfunc_test(void func(int)) {}
 
void myfunc(int a) {}
void myfunc(int a, int b) {}
 
template<typename T>
void dotest(T t){}
template<typename T>
void func(T&& t)
{
    myfunc_test(std::forward(t));
}
 
int main()
{
   // func(myfunc);
   // func(dotest);
    myfunc_test(myfunc);
}

解决方案：制作位域值的副本，并以该副本来调用转发函数。


struct xxxxx
{
    std::uint32_t v: 4,
                  I : 4,
                  D : 6,
                  E : 2,
                  t : 16;
    //...
};
 
void test(std::uint16_t  v) {}
 
template<typename T>
void func(T&& t)
{
    test(std::forward(t));
}
int main()
{
   xxxxx ip = {};
    test(ip.t);  //调用void func(int)
    //func(ip.t); //error，func形参是引用，由于位域是比特位组成。无法创建比特位的引用！
 
    //解决方案：创建位域的副本，并传给func
    auto length = static_castuint16_t>(ip.t);
    func(length);
}

实例讲解

实例：


template <typename _Callable, typename... _Types>
auto invoke(_Callable&& obj, _Types... argv)
{
	return _Invoke<_Callable, _Types...>::_Call(
		std::forward<_Callable>(obj),
		std::forward<_Types>(argv)...);
}

概述

完美转发原理

完美转发失败的情形

实例讲解

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完美转发原理

完美转发失败的情形

实例讲解

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