16、std::forward与完美转发详解

概述

　　std::forward是C++11中引入的一个函数模板，用于实现完美转发（Perfect Forwarding）。它的作用是根据传入的参数，决定将参数以左值引用还是右值引用的方式进行转发。

　　然而，完美转发是为了解决传递参数时的临时对象（右值）被强制转换为左值的问题。在C++03中，可以使用泛型引用来实现完美转发，但是需要写很多重载函数，非常繁琐。而在C++11中，引入了std::forward，可以更简洁地实现完美转发。

　　因此，概括来说，std::forward实现完美转发主要用于以下场景：提高模板函数参数传递过程的转发效率。

 下面我们将逐步引入完美转发的必要性和用法。完美转发主要通过“引用折叠”和“std::forward”函数实现，我们先来了解他们。

引用折叠

C++引用折叠是一种特性，允许在模板元编程中使用引用类型的参数来创建新的引用类型。

由于存在T&&这种万能引用类型，当它作为参数时，有可能被一个左值引用或右值引用的参数初始化，这是经过类型推导的T&&类型，推导后得到的参数类型会发生类型变化，这种变化就称为引用折叠。

引用折叠的具体规则如下：

• 若一个右值引用（即带有&&）参数被一个左值或左值引用初始化，那么引用将折叠为左值引用。（即：T&& & –> T&）
• 若一个右值引用参数被一个右值初始化，那么引用将折叠为右值引用。（即：T&& && 变成 T&&）。
• 若一个左值引用参数被一个左值或右值初始化，那么引用不能折叠，仍为左值引用（即：T& & –>T&，T& && –>T&）。

总结一下： 所有右值引用折叠到右值引用上仍然是一个右值引用。（A&& && 变成 A&&） 。 所有的其他引用类型之间的折叠都将变成左值引用。 （A& & 变成 A&; A& && 变成 A&; A&& & 变成 A&）。
简单来说：右值经过T&&参数传递，类型保持不变还是右值（引用）；而左值经过T&&变为普通的左值引用。

为了更好地理解引用折叠，以下为几个示例：

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

int main() {
  int a = 5;
  func(a);  // arg为int&，引用折叠为左值引用

  func(10);  // arg为int&&，引用折叠为右值引用

  int& ref = a;
  func(ref);  // arg为int&，引用不能折叠
}

• 当func(a)时，参数类型折叠后实际为int&，因为a是一个左值，引用类型折叠为左值引用。
• 当func(10)时，参数类型折叠后实际为int&&，因为10是一个右值，引用类型折叠为右值引用。
• 当func(ref)时，参数类型折叠后实际为int&，由于左值引用类型不能折叠，参数类型保持为左值引用。

引用折叠是C++中模板编程中非常有用的特性，可以根据传递实参的左值还是右值来确定引用类型，进而使得编写通用的模板函数或类更简单。

std::forward函数

实现完美转发的关键是使用std::forward函数。std::forward是一个条件转发函数模板，根据参数的左值或右值属性进行转发。它的定义参考如下：

这个模板函数接受一个参数并返回一个右值引用，同时利用引用折叠保留参数的左值或右值属性。调用std::forward时，根据参数的左值或右值属性，编译器会选择适当的模板实例进行转发。如果参数是一个左值引用，std::forward将返回一个左值引用。如果参数是一个右值引用，std::forward将返回一个右值引用。

例如：

1、如果T为std::string&，那么std::forward(t) 返回值为std::string&& &，折叠为std::string&，左值引用特性不变。

2、如果T为std::string&&，那么std::forward(t) 返回值为std::string&& &&，折叠为std::string&&，右值引用特性不变。

掌握了以上知识之后，我们可能还是不清楚std::forward到底有什么用，那么请看下一节。

利用std::forward实现完美转发

C++完美转发是指一种能够传递函数参数或对象的同样类型（例如左值或右值属性）和cv限定符（const或volatile）的方式，同时保留原参数的准确数值类别和cv限定符的转发机制。完美转发通过使用引用折叠机制和std::forward函数来实现。

在C++11之前，当我们将一个参数转发给另一个函数时，会丢失参数的左值或右值的信息。例如，如果我们有一个函数f，它接受一个左值引用，然后我们通过f来调用一个函数g并传递一个右值，那么在g函数内部，参数将被视为左值，从而可能引入额外的参数转移开销。

C++11引入了右值引用、移动构造函数、引用折叠、std::forward等概念，使我们能够更准确地传递参数的左值或右值属性。因此，完美转发的目标是在转发参数时保持原始参数的左值或右值属性，从而提高函数参数传递的效率。

完美转发应用实例

首先定义一个对象CData，具体说明看注释：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>

class CData
{
public:
    CData() = delete;
    CData(const char* ch) : data(ch)    // 构造函数，涉及资源的复制
    {
        std::cout << "CData(const char* ch)" << std::endl;
    }
    CData(const std::string& str) : data(str)  // 拷贝构造函数，涉及资源的复制
    {
        std::cout << "CData(const std::string& str)" << std::endl;
    }
    CData(std::string&& str) : data(str)    // 移动构造函数，不涉及资源的复制！！！
    {
        std::cout << "CData(std::string&& str)" << std::endl;
    }
    ~CData()   // 析构函数
    {
        std::cout << "~CData()" << std::endl;
    }
private:
    std::string data;   // 表示类内部管理的资源
};

假如我们封装了一个操作，主要是用来创建对象使用（类似设计模式中的工厂模式），这个操作要求如下：

1. 可以接受不同类型的参数，然后构造一个对象的指针。

2. 性能尽可能高。（这里需要高效率，故对于右值的调用应该使用CData(std::string&& str)移动函数操作）

1）不使用std::forward实现

假设我们不使用std::forward，那么要提高函数参数转发效率，我们使用右值引用（万能引用）作为模板函数参数：

template<typename T>
CData* Creator(T&& t) { // 利用&&万能引用，引用折叠： T&& && -> T&&; T&& & -> T&
    return new CData(t);
}
int main(void) {
    std::string str1 = "hello";  
    std::string str2 = " world";
    CData* p1 = Creator(str1);       // 参数折叠为左值引用，调用CData构造函数
    CData* p2 = Creator(str1 + str2);// 参数折叠为右值引用，但在Creator函数中t仍为左值，调用CData构造函数！！！
    delete p2;
    delete p1;

    return 0;
}

g++编译上述程序，可得如下结果，印证了注释中的说明：

可以看出，在不使用std::forward的情况下，即使传入了右值引用，也无法在Creator函数中触发CData的移动构造函数，从而造成了额外的资源复制损耗。

 2）使用std::forward实现

 使用std::forward即可完美解决上述问题：

template<typename T>
CData* Creator(T&& t) {
    return new CData(std::forward<T>(t));
}
int main(void) {
    std::string str1 = "hello";
    std::string str2 = " world";
    CData* p1 = Creator(str1);        // 参数折叠为左值引用，调用CData构造函数
    CData* p2 = Creator(str1 + str2); // 参数折叠为右值引用，通过std::forward转发给CData，调用移动构造函数
    delete p2;
    delete p1;

    return 0;
}

g++编译上述程序，可得如下结果，印证了注释中的说明：

可以看出，使用了std::forward之后，可以将传入的函数参数按照其原类型进一步传入参数中，从而使右值引用的参数类型可以触发类的移动构造函数，从而避免不必要的资源复制操作，提高参数转移效率。

结论：

所谓的完美转发，是指std::forward会将输入的参数原封不动地传递到下一个函数中，这个“原封不动”指的是，如果输入的参数是左值，那么传递给下一个函数的参数的也是左值；如果输入的参数是右值，那么传递给下一个函数的参数的也是右值。

完美转发主要使用两步来完成任务： 1. 在模板中使用&&（万能引用）接收参数。 2. 使用std::forward()转发给被调函数.

这个对于上面一个例子带来的好处就是函数转发仍旧为右值引用，可以使用移动构造函数提高参数转移的效率（关于移动构造函数可以参考上一篇文章《C++编程系列笔记（2）——std::move和移动语义详解》中的内容）。