c++ - 为什么要使用完美转发的值(仿函数)？

Question

C++11(和 C++14)引入了针对泛型编程的附加语言结构和改进。这些包括以下功能；

R 值引用

引用折叠

完美转发

移动语义、可变参数模板等

我在浏览较早的 draft的 C++14 specification (现在有更新的文本)和第 20.5.1 节“编译时整数序列”中的示例中的代码，我发现这些代码很有趣也很奇特。

template<class F, class Tuple, std::size_t... I>
decltype(auto) apply_impl(F&& f, Tuple&& t, index_sequence<I...>) {
  return std::forward<F>(f)(std::get<I>(std::forward<Tuple>(t))...);
}

template<class F, class Tuple>
decltype(auto) apply(F&& f, Tuple&& t) {
  using Indices = make_index_sequence<std::tuple_size<Tuple>::value>;
  return apply_impl(std::forward<F>(f), std::forward<Tuple>(t), Indices());
}

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问题

为什么是函数 f在 apply_impl被转发，即为什么std::forward<F>(f)(std::get... ?

为什么不将函数应用为 f(std::get... ?

Answer 1

简单来说...
TL;DR，您想保留 value category (r 值/l 值性质)，因为这会影响 overload resolution ，尤其是 ref-qualified members .
函数定义缩减
为了关注被转发函数的问题，我将示例(并使用 C++11 编译器编译)缩减为；

template<class F, class... Args>
auto apply_impl(F&& func, Args&&... args) -> decltype(std::forward<F>(func)(std::forward<Args>(args)...)) {
  return std::forward<F>(func)(std::forward<Args>(args)...);
}

我们创建了第二个表单，我们替换了 std::forward(func)只需 func ;

template<class F, class... Args>
auto apply_impl_2(F&& func, Args&&... args) -> decltype(func(std::forward<Args>(args)...)) {
  return func(std::forward<Args>(args)...);
}

sample 评估
评估其行为方式的一些经验证据(使用符合标准的编译器)是评估代码示例为何如此编写的一个很好的起点。因此，另外我们将定义一个通用仿函数；

struct Functor1 {
  int operator()(int id) const
  {
    std::cout << "Functor1 ... " << id << std::endl;
    return id;
  }
};

初始样本
运行一些示例代码；

int main()
{
  Functor1 func1;
  apply_impl_2(func1, 1);
  apply_impl_2(Functor1(), 2);
  apply_impl(func1, 3);
  apply_impl(Functor1(), 4);
}

并且输出如预期，与是否使用 r 值无关 Functor1()或左值 func拨打 apply_impl 时和 apply_impl_2调用重载的调用运算符。它被称为 r 值和 l 值。在 C++03 下，这就是你所得到的，你不能基于对象的“r-value-ness”或“l-value-ness”重载成员方法。

Functor1 ... 1
Functor1 ... 2
Functor1 ... 3
Functor1 ... 4

Ref 合格 sample
我们现在需要重载该调用运算符以进一步扩展它...

struct Functor2 {
  int operator()(int id) const &
  {
    std::cout << "Functor2 &... " << id << std::endl;
    return id;
  }
  int operator()(int id) &&
  {
    std::cout << "Functor2 &&... " << id << std::endl;
    return id;
  }
};

我们运行另一个样本集；

int main()
{
  Functor2 func2;
  apply_impl_2(func2, 5);
  apply_impl_2(Functor2(), 6);
  apply_impl(func2, 7);
  apply_impl(Functor2(), 8);
}

输出是;

Functor2 &... 5
Functor2 &... 6
Functor2 &... 7
Functor2 &&... 8

讨论
在 apply_impl_2的情况下( id 5 和 6)，输出可能与最初预期的不同。在这两种情况下，l 值都符合条件 operator()被调用(根本不调用 r 值)。从 Functor2() 开始，可能已经预料到了，一个 r 值，用于调用 apply_impl_2 r 值合格 operator()会被调用。 func , 作为 apply_impl_2 的命名参数, 是一个 r 值引用，但由于它被命名，它本身就是一个左值。因此 l 值合格 operator()(int) const&在 l 值 func2 的两种情况下都被调用作为参数和 r 值 Functor2()被用作论据。
在 apply_impl的情况下( id 7 和 8) std::forward<F>(func)维护或保留为 func 提供的参数的 r 值/l 值性质.因此 l 值合格 operator()(int) const&用 l 值 func2 调用用作参数和 r 值限定 operator()(int)&&当 r 值 Functor2()用作参数。这种行为是预料之中的。
结论
std::forward的使用，通过完美转发，确保我们保留 func 的原始参数的 r 值/l 值性质。 .它保留了他们的 value category .
必填， std::forward可以而且应该不仅仅用于将参数转发给函数，而且还可以用于必须保留 r-value/l-value 性质的参数的使用。笔记;在某些情况下，不能或不应保留 r 值/l 值，在这些情况下 std::forward不应使用(参见下面的反面)。
有很多例子通过看似无害的 r 值引用无意中失去了参数的 r 值/l 值性质。
编写定义明确且健全的通用代码一直很困难。随着 r 值引用的引入，特别是引用折叠，可以更简洁地编写更好的通用代码，但我们需要更加了解所提供参数的原始性质是什么，并确保当我们在我们编写的通用代码中使用它们时，它们会得到维护。
可以找到完整的示例代码 here
推论和相反

这个问题的推论是；给定引用在模板化函数中折叠，如何保持参数的 r 值/l 值性质？答案 - 使用 std::forward<T>(t) .

交谈;是否std::forward解决所有“通用引用”问题？不，它没有，有些情况下它 should not be used ，例如多次转发该值。

完美转发的简要背景
完美转发可能有些人不熟悉，那么什么是完美转发呢？
简而言之，完美转发是为了确保提供给函数的参数被转发(传递)到另一个与 originally provided 具有相同值类别(基本上是 r 值与 l 值)的函数。 .它通常与模板函数一起使用，其中 reference collapsing可能已经发生。
Scott Meyers 在他的 Going Native 2013 presentation 中给出了以下伪代码解释 std::forward 的工作原理(大约在 20 分钟标记处)；

template <typename T>
T&& forward(T&& param) { // T&& here is formulated to disallow type deduction
  if (is_lvalue_reference<T>::value) {
    return param; // return type T&& collapses to T& in this case
  }
  else {
    return move(param);
  }
}

完美转发依赖于一些 C++11 新的基本语言结构，它们构成了我们现在在泛型编程中看到的大部分内容的基础:

引用折叠

右值引用

移动语义

std::forward的使用当前用于公式 std::forward<T> ，了解如何 std::forward作品有助于理解为什么会这样，还有助于识别非惯用或不正确的右值使用、引用折叠和同类。
托马斯·贝克尔 (Thomas Becker) 提供了关于完美转发 problem 的一篇不错但密集的文章和 solution .
什么是引用限定符？
引用限定符(左值引用限定符 & 和右值引用限定符 &&)类似于 cv 限定符，因为它们( ref-qualified members)在 overload resolution 期间使用来确定调用哪个方法。他们的行为与您期望的一样； &适用于左值和 &&到右值。 注:与 cv-qualification 不同， *this仍然是一个左值表达式。