C++基础之forward

对转发函数std::forward（位于头文件<utility>中）的一些个人理解，可能会有谬误。

1 什么是forward

forward<T>(a)，将a转换为类型T（a本身不变，返回一个转换后的变量），并根据T和a本来的特性（左值还是右值），决定返回值是左值还是右值。比如：

#include <iostream>
#include <utility>
using namespace std;

void func1(int& a) {
    cout << "aaa" <<" "<<a<< endl;
}
void func1(int&& a) {
    cout << "bbb" << " " << a << endl;
}

void func1(const int& a) {
    cout << "ccc" << " " << a << endl;
}

int main() {
    int a = 10;
    func1(a)  //aaa
    func1(forward<int>(a));  //bbb，将a转化为右值的int
    func1(forward<int>(10));  //bbb，将10转化为右值的int，右值不能被转化为左值
    func1(forward<int&>(a));  //aaa，将a转化为左值的int
    func1(forward<int&&>(a));  //bbb，将a转化为右值的int
    func1(forward<const int&>(a));  //ccc，将a转化为左值的const int
    func1(forward<const int>(20));  //ccc，将20转化为右值的const int，当没有其他合适的匹配函数时，右值可以匹配const T&
    return 0;
}

2 forward有什么用

假设有这么一个情景，要使用一个封装函数创建其他类的实例，很自然就能想到以下的实现：

#include <iostream>
#include <utility>
using namespace std;

class test1 {
    int a;
    int b;
public:
    test1() :a(0), b(0) {}
    test1(const int& x, const int& y) :a(x), b(y) { cout << "consturctor1" << endl; }
    test1(int&& x, int&& y) :a(x), b(y) { cout << "constructor2" << endl; }
};

template <typename T, typename... Args>
T makeClass(Args... args) {
    return T(args...);
}

int main() {
    test1 m = makeClass<test1>(10, 2);  //constructor1
    return 0;
}

但是，无论将函数定义为T makeClass(Args... args)，T makeClass(Args&... args)还是T makeClass(Args&&... args)，都只能调用到test1的复制构造函数而不能调用移动构造函数（也可以使用move，但那样又只能调用移动构造函数了）。原因在于C++模板参数推导规则，以下例子来自Template argument deduction - cppreference.com：

template<class... Types>
void f(Types&...);
 
void h(int x, float& y)
{
    const int z = x;
    f(x, y, z); // P = Types&..., A1 = x: deduced first member of Types... = int
                // P = Types&..., A2 = y: deduced second member of Types... = float
                // P = Types&..., A3 = z: deduced third member of Types... = const int
                // calls f<int, float, const int>
}

template<class T>
int f(T&&);       // P is an rvalue reference to cv-unqualified T (forwarding reference)
 
template<class T>
int g(const T&&); // P is an rvalue reference to cv-qualified T (not special)
 
int main()
{
    int i;
    int n1 = f(i); // argument is lvalue: calls f<int&>(int&) (special case)
    int n2 = f(0); // argument is not lvalue: calls f<int>(int&&)
 
//  int n3 = g(i); // error: deduces to g<int>(const int&&), which
                   // cannot bind an rvalue reference to an lvalue
}

1 当定义T makeClass(Args... args)，调用test1 m = makeClass<test1>(10, 2)时，Args被推导为int，相当于定义了test1 makeClass(int, int)，相当于按值传递创建了临时变量int tmp1= 10，tmp2 = 2然后调用test1(tmp1, tmp2)；

2 当定义T makeClass(Args&... args)，Args被推导为int，相当于定义了test1 makeClass(int&, int&)，此时只能传入左值，test1自然也是调用的复制构造函数；

3 当定义T makeClass(Args&&... args)，调用test1 m = makeClass<test1>(10, 2)时，Args被推导为int，相当于定义test1 makeClass(int&&, int&&)，相当于按值传递创建了临时变量int&& tmp1= 10，tmp2 = 2然后调用test1(tmp1, tmp2)，虽然传入makeClass的是右值，但通过临时变量复制，最终传入test1构造函数的是左值；调用test1 m = makeClass<test1>(a, b)时（a，b是某个左值），Args被推导为int&，相当于定义test1 makeClass(int&, int&)，和2相同。

此时可以把代码做如下修改，使用forward，就可以根据传入makeClass的参数是左值还是右值，匹配相应的构造函数了：

template <typename T, typename... Args>
T makeClass(Args&&... args) {
    //return T(args...);
    return T(forward<Args>(args)...);
}

int main() {
    test1 m = makeClass<test1>(10, 2); //constructor2
    int c = 4, d = 5;
    test1 n = makeClass<test1>(c, d);  //constructor1
    return 0;
}

究其原因，还是依靠上述模板参数推导规则（看上面int f(T&&)那个例子），推导出Args的类型，再通过Args和args本来的性质，使forward返回期望的类型（左值还是右值）。

以下例子来自std::forward - cppreference.com：

template<class T>
void wrapper(T&& arg)
{
    // arg is always lvalue
    foo(std::forward<T>(arg)); // Forward as lvalue or as rvalue, depending on T
}

• If a call to wrapper() passes an rvalue std::string, then T is deduced to std::string (not std::string&, const std::string&, or std::string&&), and std::forward ensures that an rvalue reference is passed to foo.
• If a call to wrapper() passes a const lvalue std::string, then T is deduced to const std::string&, and std::forward ensures that a const lvalue reference is passed to foo.
• If a call to wrapper() passes a non-const lvalue std::string, then T is deduced to std::string&, and std::forward ensures that a non-const lvalue reference is passed to foo.

总之，左值和右值主要是一个编译器概念，目的主要是为了匹配不同特征标的函数（比如T&&和const T&）。将一个左值转换成右值，转换本身并不改变这个左值的任何特性，只是告诉编译器此时想要用那个接受右值的函数而已。