条款二十四：区分通用引用与右值引用

Item 24: Distinguish universal references from rvalue references

据说，真相使人自由，然而在特定的环境下，一个精心挑选的谎言也同样使人解放。这一条款就是这样一个谎言。因为我们在和软件打交道，然而，让我们避开“谎言（lie）”这个词，不妨说，本条款包含了一种“抽象（abstraction）”。

为了声明一个指向某个类型T的右值引用，你写下了T&&。由此，一个合理的假设是，当你看到一个“T&&”出现在源码中，你看到的是一个右值引用。唉，事情并不如此简单:

void f(Widget&& param);             //右值引用
Widget&& var1 = Widget();           //右值引用
auto&& var2 = var1;                 //不是右值引用

template<typename T>
void f(std::vector<T>&& param);     //右值引用

template<typename T>
void f(T&& param);                  //不是右值引用

事实上，“T&&”有两种不同的意思。第一种，当然是右值引用。这种引用表现得正如你所期待的那样：它们只绑定到右值上，并且它们主要的存在原因就是为了识别可以移动操作的对象。

“T&&”的另一种意思是，它既可以是右值引用，也可以是左值引用。这种引用在源码里看起来像右值引用（即“T&&”），但是它们可以表现得像是左值引用（即“T&”）。它们的二重性使它们既可以绑定到右值上（就像右值引用），也可以绑定到左值上（就像左值引用）。 此外，它们还可以绑定到const或者non-const的对象上，也可以绑定到volatile或者non-volatile的对象上，甚至可以绑定到既const又volatile的对象上。它们可以绑定到几乎任何东西。这种空前灵活的引用值得拥有自己的名字。我把它叫做通用引用（universal references）。（Item25解释了std::forward几乎总是可以应用到通用引用上，并且在这本书即将出版之际，一些C++社区的成员已经开始将这种通用引用称之为转发引用（forwarding references））。

在两种情况下会出现通用引用。最常见的一种是函数模板形参，正如在之前的示例代码中所出现的例子：

template<typename T>
void f(T&& param);                  //param是一个通用引用

第二种情况是auto声明符，它是从以上示例中拿出的：

auto&& var2 = var1;                 //var2是一个通用引用

这两种情况的共同之处就是都存在类型推导（type deduction）。在模板f的内部，param的类型需要被推导，而在变量var2的声明中，var2的类型也需要被推导。同以下的例子相比较（同样来自于上面的示例代码），下面的例子不带有类型推导。如果你看见“T&&”不带有类型推导，那么你看到的就是一个右值引用：

void f(Widget&& param);         //没有类型推导，
                                //param是一个右值引用
Widget&& var1 = Widget();       //没有类型推导，
                                //var1是一个右值引用

因为通用引用是引用，所以它们必须被初始化。一个通用引用的初始值决定了它是代表了右值引用还是左值引用。如果初始值是一个右值，那么通用引用就会是对应的右值引用，如果初始值是一个左值，那么通用引用就会是一个左值引用。对那些是函数形参的通用引用来说，初始值在调用函数的时候被提供：

template<typename T>
void f(T&& param);              //param是一个通用引用

Widget w;
f(w);                           //传递给函数f一个左值；param的类型
                                //将会是Widget&，也即左值引用

f(std::move(w));                //传递给f一个右值；param的类型会是
                                //Widget&&，即右值引用

对一个通用引用而言，类型推导是必要的，但是它还不够。引用声明的形式必须正确，并且该形式是被限制的。它必须恰好为“T&&”。再看看之前我们已经看过的代码示例：

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

当函数f被调用的时候，类型T会被推导（除非调用者显式地指定它，这种边缘情况我们不考虑）。但是param的类型声明并不是T&&，而是一个std::vector<T>&&。这排除了param是一个通用引用的可能性。param因此是一个右值引用——当你向函数f传递一个左值时，你的编译器将会乐于帮你确认这一点:

std::vector<int> v;
f(v);                           //错误！不能将左值绑定到右值引用

即使一个简单的const修饰符的出现，也足以使一个引用失去成为通用引用的资格:

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

如果你在一个模板里面看见了一个函数形参类型为“T&&”，你也许觉得你可以假定它是一个通用引用。错！这是由于在模板内部并不保证一定会发生类型推导。考虑如下push_back成员函数，来自std::vector：

template<class T, class Allocator = allocator<T>>   //来自C++标准
class vector
{
public:
    void push_back(T&& x);
    …
}

push_back函数的形参当然有一个通用引用的正确形式，然而，在这里并没有发生类型推导。因为push_back在有一个特定的vector实例之前不可能存在，而实例化vector时的类型已经决定了push_back的声明。也就是说，

std::vector<Widget> v;

将会导致std::vector模板被实例化为以下代码：

class vector<Widget, allocator<Widget>> {
public:
    void push_back(Widget&& x);             //右值引用
    …
};

现在你可以清楚地看到，函数push_back不包含任何类型推导。push_back对于vector<T>而言（有两个函数——它被重载了）总是声明了一个类型为rvalue-reference-to-T的形参。

作为对比，std::vector内的概念上相似的成员函数emplace_back，却确实包含类型推导:

template<class T, class Allocator = allocator<T>>   //依旧来自C++标准
class vector {
public:
    template <class... Args>
    void emplace_back(Args&&... args);
    …
};

这儿，类型参数（type parameter）Args是独立于vector的类型参数T的，所以Args会在每次emplace_back被调用的时候被推导。（好吧，Args实际上是一个parameter pack，而不是一个类型参数，但是为了方便讨论，我们可以把它当作是一个类型参数。）

虽然函数emplace_back的类型参数被命名为Args，但是它仍然是一个通用引用，这补充了我之前所说的，通用引用的格式必须是“T&&”。你使用的名字T并不是必要的。举个例子，如下模板接受一个通用引用，因为形式（“type&&”）是正确的，并且param的类型将会被推导（重复一次，不考虑边缘情况，即当调用者明确给定类型的时候）。

template<typename MyTemplateType>           //param是通用引用
void someFunc(MyTemplateType&& param);

我之前提到，类型为auto的变量可以是通用引用。更准确地说，类型声明为auto&&的变量是通用引用，因为会发生类型推导，并且它们具有正确形式(T&&)。auto类型的通用引用不如函数模板形参中的通用引用常见，但是它们在C++11中常常突然出现。而它们在C++14中出现得更多，因为C++14的lambda表达式可以声明auto&&类型的形参。举个例子，如果你想写一个C++14标准的lambda表达式，来记录任意函数调用的时间开销，你可以这样写：

auto timeFuncInvocation =
    [](auto&& func, auto&&... params)           //C++14
    {
        start timer;
        std::forward<decltype(func)>(func)(     //对params调用func
            std::forward<delctype(params)>(params)...
        );
        stop timer and record elapsed time;
    };

如果你对lambda里的代码“std::forward<decltype(blah blah blah)>”反应是“这是什么鬼...?!”，只能说你可能还没有读Item33。别担心。在本条款，重要的事是lambda表达式中声明的auto&&类型的形参。func是一个通用引用，可以被绑定到任何可调用对象，无论左值还是右值。args是0个或者多个通用引用（即它是个通用引用parameter pack），它可以绑定到任意数目、任意类型的对象上。多亏了auto类型的通用引用，函数timeFuncInvocation可以对近乎任意（pretty much any）函数进行计时。(如果你想知道任意（any）和近乎任意（pretty much any）的区别，往后翻到Item30)。

牢记整个本条款——通用引用的基础——是一个谎言，噢不，是一个“抽象”。其底层真相被称为引用折叠（reference collapsing），Item28的专题将致力于讨论它。但是这个真相并不降低该抽象的有用程度。区分右值引用和通用引用将会帮助你更准确地阅读代码（“究竟我眼前的这个T&&是只绑定到右值还是可以绑定任意对象呢？”），并且，当你在和你的合作者交流时，它会帮助你避免歧义（“在这里我在用一个通用引用，而非右值引用”）。它也可以帮助你弄懂Item25和26，它们依赖于右值引用和通用引用的区别。所以，拥抱这份抽象，陶醉于它吧。就像牛顿的力学定律（本质上不正确），比起爱因斯坦的广义相对论（这是真相）而言，往往更简单，更易用。所以通用引用的概念，相较于穷究引用折叠的细节而言，是更合意之选。

请记住：

  • 如果一个函数模板形参的类型为T&&，并且T需要被推导得知，或者如果一个对象被声明为auto&&，这个形参或者对象就是一个通用引用。
  • 如果类型声明的形式不是标准的type&&，或者如果类型推导没有发生，那么type&&代表一个右值引用。
  • 通用引用，如果它被右值初始化，就会对应地成为右值引用；如果它被左值初始化，就会成为左值引用。