C++的万能引用解析

C++11除了带来了右值引用以外，还引入了一种称为“万能引用”的语法；通过“万能引用”，对某型别的引用T&&，既可以表达右值引用，也可以表达左值引用。

定义

该语法有两种使用场景，最常见的一种是作为函数模板的形参：

template<typename T>
void f(T&& param);

其中param就是一个万能引用。

第二个场景则是auto声明：

auto&& var2 = var1;

这两种情况都涉及到了型别的推导，也就是说，如果你虽然遇到了T&&的形式，但是不涉及型别推导，那么它只是一个右值引用：

void f(Widget&& param);

同时，想要成为万能引用，变量声明的形式也必须正确无误，必须正好是形如“T&&”才行。比如下面这些情况就不是万能引用：

template<typename T>
void f1(std::vector<T>&& param); // param是一个右值引用

template<typename T>
void f2(const T&& param);      //param也是一个右值引用

如果你向f1和f2传左值，会都是会直接报错的。

除此之外，像下面这种情况也不是万能引用：

template<class T, class Allocator=allocator<T>>
class vector{
public:
  void push_back(T&& x);
};

push_back的形参x的型别T是受vector影响的，假设给定T为Widget，那么就会被实例化为如下代码：

template<class Widget, class Allocator=allocator<T>>
class vector{
public:
  void push_back(Widget&& x);
};

而作为对比，vector类中的emplace_back函数则是一个实实在在的万能引用：

template<class T, class Allocator=allocator<T>>
class vector{
public:
  template<class...Args>
  void emplace_back(Args&&.. args);
};

args的型别Args完全独立于vector的型别形参T，Args必须在每次调用emplace_back时被推导，因此args是万能引用。

为什么是“万能引用”？

你一定非常好奇，为什么这种形态被称作“万能引用”。原因正像前文所说的，通过“万能引用”，对某型别的引用T&&，既可以表达右值引用，也可以表达左值引用。

比如说，传入一个右值引用，一般都要给传入的参数加一个std::move操作确保变量的可移动性：

class Widget
{
public:
  Widget(Widget&& rhs):name(std::move(rhs.name)){}
private:
  std::string name;
};

而万能引用则有所不同，它一般是通过std::forward来进行转换：

class Widget
{
public:
  template<typename T>
  void setName(T&& newName)
  {name = std::forward<T>(newName);}
private:
  std::string name;
};

在这种情况下，若newName是一个左值引用，则forward函数不会对它进行操作，它的返回值仍然是一个左值引用；若newName是一个右值，则会进行std::move的转换。用户使用时无需区分，这也正是它“万能”之处。

举个例子：

Widget w;
std::string c = "123";
w.setName(w);            //传入是一个左值，forward返回左值引用
w.setName("123");        //传入是一个右值，forward返回右值引用
w.setName(std::move(w)); //传入是一个右值，forward返回右值引用

引用折叠

你一定会很奇怪，为什么万能引用的形式明明是T&&，却既可以代表左值又可以代表右值。这就要涉及到C++的引用折叠语法了。

首先，C++不支持“引用的引用”这种概念，这样的代码在C++中是非法的：

int x;
auto& & rx = x;

但是，假设我们向前面的万能引用函数f传入一个左值引用：

Widget w = w;
f(w);  //T的推导型别为Widget&

那么实例化的结果如下：

void f(Widget& && param);

之所以这样的代码能通过，是因为在特殊的情况下（比如模板实例化），C++应用了引用折叠的语法。

有左值和右值两种引用，所以就有四种可能的组合：左值-左值、左值-右值、右值-左值、右值-右值，如果引用的引用出现在允许的语境，改双重引用会被折叠成单个引用：

如果任一引用为左值引用，则结果为左值引用。否则（即两个都为右值引用），结果为右值引用。

因此上述例子中，最终将param推导为左值引用。

此外，auto的型别推导也会应用引用折叠的场景，例如：

Widget w;
auto &&w1 =w;  //w1是个左值

话说到这里，我们就可以更深入地理解万能引用，其实它就是满足了下面两个条件的语境中的右值引用：

1.型别推导的过程会区别左值和右值。T型别的左值推导结果为T&，而T型别的右值推导结果为T。

2.会发生引用折叠。