一、理解引用折叠
（一）引用折叠
1. 在C++中，“引用的引用”是非法的。像auto& &rx = x;（注意两个&之间有空格）这种直接定义引用的引用是不合法的，但是编译器在通过类型别名或模板参数推导等语境中，会间接定义出“引用的引用”，这时引用会形成“折叠”。
2. 引用折叠会发生在模板实例化、auto类型推导、创建和运用typedef和别名声明、以及decltype语境中。
（二）引用折叠规则
1. 两条规则
（1）所有右值引用折叠到右值引用上仍然是一个右值引用。如X&& &&折叠为X&&。
（2）所有的其他引用类型之间的折叠都将变成左值引用。如X& &, X& &&, X&& &折叠为X&。可见左值引用会传染，沾上一个左值引用就变左值引用了。根本原因：在一处声明为左值，就说明该对象为持久对象，编译器就必须保证此对象可靠（左值）。
2. 利用引用折叠进行万能引用初始化类型推导
（1）当万能引用（T&& param）绑定到左值时，由于万能引用也是一个引用，而左值只能绑定到左值引用。因此，T会被推导为T&类型。从而param的类型为T& &&，引用折叠后的类型为T&。
（2）当万能引用（T&& param）绑定到右值时，同理，右值只能绑定到右值引用上，故T会被推导为T类型。从而param的类型就是T&&（右值引用）。
【编程实验】引用折叠
#include <iostream> using namespace std; class Widget{}; template<typename T> void func(T&& param){} //Widget工厂函数 Widget widgetFactory() { return Widget(); } //类型别名 template<typename T> class Foo { public: typedef T&& RvalueRefToT; }; int main() { int x = 0; int& rx = x; //auto& & r = x; //error，声明“引用的引用”是非法的！ //1. 引用折叠发生的语境1——模板实例化 Widget w1; func(w1); //w1为左值，T被推导为Widget&。代入得void func(Widget& && param); //引用折叠后得void func(Widget& param) func(widgetFactory()); //传入右值，T被推导为Widget，代入得void func(Widget&& param) //注意这里没有发生引用的折叠。 //2. 引用折叠发生的语境2——auto类型推导 auto&& w2 = w1; //w1为左值auto被推导为Widget&，代入得Widget& && w2，折叠后为Widget& w2 auto&& w3 = widgetFactory(); //函数返回Widget，为右值，auto被推导为Widget，代入得Widget w3 //3. 引用折叠发生的语境3——tyedef和using Foo<int&> f1; //T被推导为int&，代入得typedef int& && RvalueRefToT;折叠后为typedef int& RvalueRefToT //4. 引用折叠发生的语境3——decltype decltype(x)&& var1 = 10; //由于x为int类型，代入得int&& rx。 decltype(rx) && var2 = x; //由于rx为int&类型，代入得int& && var2，折叠后得int& var2 return 0; }
二、完美转发
（一）std::forward原型
//左值版本 template<typename T> T&& forward(typename remove_reference<T>::type& param) { return static_cast<T&&>(param); //可能会发生引用折叠！ } //右值版本 template<typename T> T&& forward(typename remove_reference<T>::type&& param) { return static_cast<T&&>(param); }
（二）分析std::forward<T>实现条件转发的原理（以转发Widget类对象为例）
1. 当传递给func函数的实参类型为左值Widget时，T被推导为Widget&类别。然后forward会实例化为std::forward<Widget&>，并返回Widget&（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Widget时，T被推导为Widget。然后forward被实例化为std::forward<Widget>，并返回Widget&&（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process。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process函数。
【编程实验】不完美转发和完美转发
#include <iostream> using namespace std; void print(const int& t) //左值版本 { cout <<"void print(const int& t)" << endl; } void print(int&& t) //右值版本 { cout << "void print(int&& t)" << endl; } template<typename T> void testForward(T&& param) { //不完美转发 print(param); //param为形参，是左值。调用void print(const int& t) print(std::move(param)); //转为右值。调用void print(int&& t) //完美转发 print(std::forward<T>(param)); //只有这里才会根据传入param的实参类型的左右值进转发 } int main() { cout <<"-------------testForward(1)-------------" <<endl; testForward(1); //传入右值 cout <<"-------------testForward(x)-------------" << endl; int x = 0; testForward(x); //传入左值 return 0; } /*输出结果 -------------testForward(1)------------- void print(const int& t) void print(int&& t) void print(int&& t) //完美转发，这里转入的1为右值，调用右值版本的print -------------testForward(x)------------- void print(const int& t) void print(int&& t) void print(const int& t) //完美转发，这里转入的x为左值，调用左值版本的print */
三、std::move和std::forward
（一）两者比较
1. move和forward都是仅仅执行强制类型转换的函数。std::move无条件地将实参强制转换成右值。而std::forward则仅在某个特定条件满足时（传入func的实参是右值时）才执行强制转换。
2. std::move并不进行任何移动，std::forward也不进行任何转发。这两者在运行期都无所作为。它们不会生成任何可执行代码，连一个字节都不会生成。
（二）使用时机
1. 针对右值引用的最后一次使用实施std::move，针对万能引用的最后一次使用实施std::forward。
2. 在按值返回的函数中，如果返回的是一个绑定到右值引用或万能引用的对象时，可以实施std::move或std::forward。因为如果原始对象是一个右值，它的值就应当被移动到返回值上，而如果是左值，就必须通过复制构造出副本作为返回值。
（三）返回值优化（RVO）
1.两个前提条件
（1）局部对象类型和函数返回值类型相同；
（2）返回的就是局部对象本身（含局部对象或作为return 语句中的临时对象等）
2. 注意事项
（1）在RVO的前提条件被满足时，要么避免复制，要么会自动地用std::move隐式实施于返回值。
（2）按值传递的函数形参，把它们作为函数返回值时，情况与返回值优化类似。编译器这里会选择第2种处理方案，即返回时将形参转为右值处理。
（3）如果局部变量有资格进行RVO优化，就不要把std::move或std::forward用在这些局部变量中。因为这可能会让返回值丧失优化的机会。
【编程实验】RVO优化和std::move、std::forward
#include <iostream> #include <memory> using namespace std; //1. 针对右值引用实施std::move，针对万能引用实施std::forward class Data{}; class Widget { std::string name; std::shared_ptr<Data> ptr; public: Widget() { cout <<"Widget()"<<endl; }; //复制构造函数 Widget(const Widget& w):name(w.name), ptr(w.ptr) { cout <<"Widget(const Widget& w)" << endl; } //针对右值引用使用std::move Widget(Widget&& rhs) noexcept: name(std::move(rhs.name)), ptr(std::move(rhs.ptr)) { cout << "Widget(Widget&& rhs)" << endl; } //针对万能引用使用std::forward。 //注意，这里使用万能引用来替代两个重载版本：void setName(const string&)和void setName(string&&) //好处就是当使用字符串字面量时，万能引用版本的效率更高。如w.setName("SantaClaus")，此时字符串会被 //推导为const char(&)[11]类型，然后直接转给setName函数（可以避免先通过字量面构造临时string对象）。 //并将该类型直接转给name的构造函数，节省了一个构造和释放临时对象的开销，效率更高。 template<typename T> void setName(T&& newName) { if (newName != name) { //第1次使用newName name = std::forward<T>(newName); //针对万能引用的最后一次使用实施forward } } }; //2. 按值返回函数 //2.1 按值返回的是一个绑定到右值引用的对象 class Complex { double x; double y; public: Complex(double x =0, double y=0):x(x),y(y){} Complex& operator+=(const Complex& rhs) { x += rhs.x; y += rhs.y; return *this; } }; Complex operator+(Complex&& lhs, const Complex& rhs) //重载全局operator+ { lhs += rhs; return std::move(lhs); //由于lhs绑定到一个右值引用，这里可以移动到返回值上。 } //2.2 按值返回一个绑定到万能引用的对象 template<typename T> auto test(T&& t) { return std::forward<T>(t); //由于t是一个万能引用对象。按值返回时实施std::forward //如果原对象一是个右值，则被移动到返回值上。如果原对象 //是个左值，则会被拷贝到返回值上。 } //3. RVO优化 //3.1 返回局部对象 Widget makeWidget() { Widget w; return w; //返回局部对象，满足RVO优化两个条件。为避免复制，会直接在返回值内存上创建w对象。 //但如果改成return std::move(w)时，由于返回值类型不同（Widget右值引用，另一个是Widget） //会剥夺RVO优化的机会，就会先创建w局部对象，再移动给返回值，无形中增加一个移动操作。 //对于这种满足RVO条件的，当某些情况下无法避免复制的（如多路返回），编译器仍会默认地对 //将w转为右值，即return std::move(w)，而无须用户显式std::move!!! } //3.2 按值形参作为返回值 Widget makeWidget(Widget w) //注意，形参w是按值传参的。 { //... return w; //这里虽然不满足RVO条件（w是形参，不是函数内的局部对象），但仍然会被编译器优化。 //这里会默认地转换为右值，即return std::move(w) } int main() { cout <<"1. 针对右值引用实施std::move，针对万能引用实施std::forward" << endl; Widget w; w.setName("SantaClaus"); cout << "2. 按值返回时" << endl; auto t1 = test(w); auto t2 = test(std::move(w)); cout << "3. RVO优化" << endl; Widget w1 = makeWidget(); //按值返回局部对象（RVO） Widget w2 = makeWidget(w1); //按值返回按值形参对象 return 0; } /*输出结果 1. 针对右值引用实施std::move，针对万能引用实施std::forward Widget() 2. 按值返回时 Widget(const Widget& w) Widget(Widget&& rhs) 3. RVO优化 Widget() Widget(Widget&& rhs) Widget(const Widget& w) Widget(Widget&& rhs) */
四、完美转发失败的情形
（一）完美转发失败
1. 完美转发不仅转发对象，还转发其类型、左右值特征以及是否带有const或volation等修饰词。而完美转发的失败，主要源于模板类型推导失败或推导的结果是错误的类型。
2. 实例说明：假设转发的目标函数f，而转发函数为fwd（天然就应该是泛型）。函数如下：
template<typename… Ts> void fwd(Ts&&… params) { f(std::forward<Ts>(params)…); } f(expression); //如果本语句执行了某操作 fwd(expression); //而用同一实参调用fwd则会执行不同操作，则称完美转发失败。
（二）五种完美转发失败的情形
1. 使用大括号初始化列表时
（1）失败原因分析：由于转发函数是个模板函数，而在模板类型推导中，大括号初始不能自动被推导为std::initializer_list<T>。
（2）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和NULL用作空指针时
（1）失败原因分析：0或NULL以空指针之名传递给模板时，类型推导的结果是整型，而不是所希望的指针类型。
（2）解决方案：传递nullptr，而非0或NULL。
3. 仅声明static const 整型成员变量，而无其定义时。
（1）失败原因分析：C++中常量一般是进入符号表的，只有对其取地址时才会实际分配内存。调用f函数时，其实参是直接从符号表中取值，此时不会发生问题。但当调用fwd时由于其形参是万能引用，而引用本质上是一个可解引用的指针。因此当传入fwd时会要求准备某块内存以供解引用出该变量出来。但因其未定义，也就没有实际的内存空间， 编译时可能失败（取决于编译器和链接器的实现）。
（2）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. 使用重载函数名或模板函数名时
（1）失败原因分析：由于fwd是个模板函数，其形参没有任何关于类型的信息。当传入重载函数名或模板函数（代表许许多多的函数）时，就会导致fwd的形参不知绑定到哪个函数上。
（2）解决方案：在调用fwd调用时手动为形参指定类型信息。
5. 转发位域时
（1）失败原因分析：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。
（2）解决方案：制作位域值的副本，并以该副本来调用转发函数。
【编程实验】完美转发失败的情形及解决方案
#include <iostream> #include <vector> using namespace std; //1. 大括号初始化列表 void f(const std::vector<int>& v) { cout << "void f(const std::vector<int> & v)" << endl; } //2. 0或NULL用作空指针时 void f(int x) { cout << "void f(int x)" << endl; } //3. 仅声明static const的整型成员变量而无定义 class Widget { public: static const std::size_t MinVals = 28; //仅声明，无定义（因为静态变量需在类外定义！） }; //const std::size_t Widget::MinVals; //在类外定义，无须也不能重复指定初始值。 //4. 使用重载函数名或模板函数名 int f(int(*pf)(int)) { cout <<"int f(int(*pf)(int))" << endl; return 0; } int processVal(int value) { return 0; } int processVal(int value, int priority) { return 0; } //5.位域 struct IPv4Header { std::uint32_t version : 4, IHL : 4, DSCP : 6, ECN : 2, totalLength : 16; //... }; template<typename T> T workOnVal(T param) //函数模板，代表许许多多的函数。 { return param; } //用于测试的转发函数 template<typename ...Ts> void fwd(Ts&& ... param) //转发函数 { f(std::forward<Ts>(param)...); //目标函数 } int main() { cout <<"-------------------1. 大括号初始化列表---------------------" << endl; //1.1 用同一实参分别调用f和fwd函数 f({ 1, 2, 3 }); //{1, 2, 3}会被隐式转换为std::vector<int> //fwd({ 1, 2, 3 }); //编译失败。由于fwd是个函数模板，而模板推导时{}不能自动被推导为std:;initializer_list<T> //1.2 解决方案 auto il = { 1,2,3 }; fwd(il); cout << "-------------------2. 0或NULL用作空指针-------------------" << endl; //2.1 用同一实参分别调用f和fwd函数 f(NULL); //调用void f(int)函数， fwd(NULL); //NULL被推导为int，仍调用void f(int)函数 //2.2 解决方案：使用nullptr f(nullptr); //匹配int f(int(*pf)(int)) fwd(nullptr); cout << "-------3. 仅声明static const的整型成员变量而无定义--------" << endl; //3.1 用同一实参分别调用f和fwd函数 f(Widget::MinVals); //调用void f(int)函数。实参从符号表中取得，编译成功！ fwd(Widget::MinVals); //fwd的形参是引用，而引用的本质是指针，但fwd使用到该实参时需要解引用 //这里会因没有为MinVals分配内存而出现编译失败（取决于编译器和链接器） //3.2 解决方案：在类外定义该变量 cout << "-------------4. 使用重载函数名或模板函数名---------------" << endl; //4.1 用同一实参分别调用f和fwd函数 f(processVal); //ok，由于f形参为int(*pf)(int)，带有类型信息，会匹配int processVal(int value) //fwd(processVal); //error,fwd的形参不带任何类型信息，不知该匹配哪个processVals重载函数。 //fwd(workOnVal); //error,workOnVal是个函数模板，代表许许多多的函数。这里不知绑定到哪个函数 //4.2 解决方案：手动指定类型信息 using ProcessFuncType = int(*)(int); ProcessFuncType processValPtr = processVal; fwd(processValPtr); fwd(static_cast<ProcessFuncType>(workOnVal)); //调用int f(int(*pf)(int)) cout << "----------------------5. 转发位域时---------------------" << endl; //5.1 用同一实参分别调用f和fwd函数 IPv4Header ip = {}; f(ip.totalLength); //调用void f(int) //fwd(ip.totalLength); //error，fwd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fwd auto length = static_cast<std::uint16_t>(ip.totalLength); fwd(length); return 0; } /*输出结果 -------------------1. 大括号初始化列表--------------------- void f(const std::vector<int> & v) void f(const std::vector<int> & v) -------------------2. 0或NULL用作空指针------------------- void f(int x) void f(int x) int f(int(*pf)(int)) int f(int(*pf)(int)) -------3. 仅声明static const的整型成员变量而无定义-------- void f(int x) void f(int x) -------------4. 使用重载函数名或模板函数名--------------- int f(int(*pf)(int)) int f(int(*pf)(int)) int f(int(*pf)(int)) ----------------------5. 转发位域时--------------------- void f(int x) void f(int x) */
