C++11 圖說(shuō)VS2013下的引用疊加規(guī)則和模板參數(shù)類型推導(dǎo)規(guī)則

背景：
    最近在學(xué)習(xí)C++STL，出于偶然，在C++Reference上看到了vector下的emplace_back函數(shù)，不想由此引發(fā)了一系列的“探索”，于是就有了現(xiàn)在這篇博文。

前言：
      右值引用無(wú)疑是C++11新特性中一顆耀眼的明珠，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)語(yǔ)義和完美轉(zhuǎn)發(fā)，三者構(gòu)成了令很多C++開(kāi)發(fā)者拍案叫絕的“鐵三角”（當(dāng)然不是所有C++開(kāi)發(fā)者）。而在這個(gè)“鐵三角”中，有一個(gè)無(wú)法回避的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，那就是引用疊加規(guī)則和模板參數(shù)類型推導(dǎo)規(guī)則。其實(shí)，關(guān)于這兩個(gè)規(guī)則，可查到的資料不少，但都有一個(gè)特點(diǎn)——簡(jiǎn)單（就形式而言）而難懂（就理解而言）（起碼在下這么認(rèn)為），而且，都沒(méi)有例證，僅僅是簡(jiǎn)明扼要地交代。而本文恰恰是將這一細(xì)節(jié)展開(kāi)，給出演示和證明。誠(chéng)然，這不是什么開(kāi)創(chuàng)性的工作，但在下認(rèn)為也是必不可少的，因?yàn)樗屓藗儗?duì)這一關(guān)鍵細(xì)節(jié)了解得更加深入和透徹，另外，從某個(gè)角度來(lái)說(shuō)，也填補(bǔ)了空白。

“圖說(shuō)”是因?yàn)椋?/span>有圖有真相，一目了然，真真切切，不容辯駁。
“VS2013下”是因?yàn)椋?/span>本文所有測(cè)試和截圖都來(lái)自VS2013，考慮到不同編譯環(huán)境下結(jié)果可能會(huì)略有不同，所以，嚴(yán)謹(jǐn)起見(jiàn)，這里加了“VS2013下”。

最后，再說(shuō)兩點(diǎn)：
    1.本文的行文形式（也可以說(shuō)是邏輯順序）：先結(jié)論，再證明，必要時(shí)加以解說(shuō)。

    2.本文使用了大量的截圖，所以讀起來(lái)可能會(huì)有一種連篇累牘之感（但實(shí)際上文章邏輯結(jié)構(gòu)清晰，內(nèi)容一目了然），給讀者帶來(lái)的閱讀上的不適，敬請(qǐng)諒解。

參考資料：
1.維基百科.右值引用   地址：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%B3%E5%80%BC%E5%BC%95%E7%94%A8（強(qiáng)烈建議大家看）
2.聚客頻道.[C++] 右值引用：移動(dòng)語(yǔ)義與完美轉(zhuǎn)發(fā)   作者：Dutor   地址：http://ju.outofmemory.cn/entry/105978
3.博客園.【原】C++ 11完美轉(zhuǎn)發(fā)   作者：Hujian   地址：http://www.cnblogs.com/hujian/archive/2012/02/17/2355207.html
4.IBM developerWorks.C++11 標(biāo)準(zhǔn)新特性: 右值引用與轉(zhuǎn)移語(yǔ)義  作者：李勝利   地址：http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/1307_lisl_c11/

正文：

    好了，書(shū)歸正文。
 為把問(wèn)題說(shuō)清楚，我們先給出以下函數(shù)：

template<typename T>void f(T&& fpar)//formal parameter 形參{    //函數(shù)體}//調(diào)用int a=1;int& apar=a;//actual parameter 實(shí)參f(apar);

 在此基礎(chǔ)上，給出以下表格（設(shè)A為基本類型，比如int）：

    表1

說(shuō)明：
     1.在前面的代碼中，調(diào)用前形參fpar被聲明的類型是T&&，調(diào)用時(shí)傳入的實(shí)參apar的類型是int&。
     2.上表中，2、3、4列對(duì)應(yīng)了引用疊加規(guī)則，2、3、5列對(duì)應(yīng)了模板參數(shù)類型推導(dǎo)規(guī)則。
     3.由上表可以知道：
       引用疊加規(guī)則的規(guī)律是：調(diào)用前fpar與apar中有一個(gè)是&，結(jié)果（即調(diào)用后fpar的實(shí)際類型）就是&；只有當(dāng)fpar與apar都是&&時(shí)，結(jié)果才是&&。
       模板參數(shù)類型推導(dǎo)規(guī)則的規(guī)律是：只有調(diào)用前fpar是&&，apar是&時(shí)，調(diào)用后T的實(shí)際類型才是A&，其余3種情況下都是A。（僅就上表，許多資料上不上這樣，原因

                                     在于紅色部分不一樣，見(jiàn)下面的說(shuō)明4）
     4.注意到上表中紅色的A，在查閱過(guò)的資料中，那個(gè)位置是A&，但在下得到的結(jié)果卻是A，后面會(huì)詳細(xì)解釋。
     5.本文所討論的模板參數(shù)類型推導(dǎo)，僅是針對(duì)上面例子中的T而言的，在C++11里，更經(jīng)典的類型推導(dǎo)包括auto，decltype等。

    下面逐一給出驗(yàn)證與說(shuō)明：

1.驗(yàn)證規(guī)則1

看圖：

         圖1

    程序中我們?cè)O(shè)斷點(diǎn)監(jiān)視變量，我們看到，ra作為int&類實(shí)參調(diào)用函數(shù)wai（因?yàn)槭峭鈱雍瘮?shù)，這里簡(jiǎn)單命名為wai，不影響說(shuō)明問(wèn)題），調(diào)用后，T& w_a變成了int& w_a（即實(shí)際類型成了int&），而T w_aa成了int型，即T的類型是int型。這里，調(diào)用后形參w_a的實(shí)際類型滿足引用疊加規(guī)則1（上表中的）。

    關(guān)于引用疊加，有兩種理解方式（以上例為例說(shuō)明）：

方式一：

          參數(shù)傳遞時(shí)，T&與int&“作用”，結(jié)果是int&，即T&+int& -> int&。我們將其視為規(guī)定，不必解釋。（上表正是以這種方式給出的）

方式二：

        參數(shù)傳遞時(shí)，將實(shí)參ra前面的int&傳給T（即將T換成int&），于是，int& & -> int&（注意int& &的兩個(gè)‘&’間有空格，不是右值引用），而將int& & ->

    int&視為規(guī)則?；诜绞蕉媳韺⒆兂桑ú豢紤]調(diào)用后T的類型）：

   表2

其中，第1個(gè)”加數(shù)“是將T換成的內(nèi)容，也就是實(shí)參前的類型，第2個(gè)”加數(shù)“是函數(shù)參數(shù)列表中T后的引用形式，”和“是函數(shù)調(diào)用后形參的實(shí)際形式。下面圖說(shuō)方式二中規(guī)定的正確性：

        A& & -> A&                                A& && -> A&                             A&& & -> A&                             A&& && -> A&&

      兩種方式都可以。只不過(guò)在下覺(jué)得，方式二繞一點(diǎn)，并且，有一種T先變成int&（以圖1所示為例），然后又變成int的莫名其妙之感。所以，在下推薦方式一。

    在T的推導(dǎo)上，我們采用這樣的方式：先由疊加原理得出函數(shù)調(diào)用后形參的類型，然后將該類型與函數(shù)參數(shù)列表中形參的類型進(jìn)行對(duì)比、匹配，從而得出T的類型。

如果發(fā)現(xiàn)不能匹配，則再次運(yùn)用疊加規(guī)則”推導(dǎo)“出T的類型（我們將在驗(yàn)證規(guī)則3時(shí)遇到這種情況）。

以圖1中的情況為例：

                                                        T& w_a     （形參列表中的）

                                                      int& w_a     （函數(shù)調(diào)用后形參的實(shí)際類型，由疊加規(guī)則決定）

    對(duì)比知，T為int型。

2.驗(yàn)證規(guī)則2

圖說(shuō)：

        圖2

這似乎已經(jīng)驗(yàn)證了規(guī)則2，但請(qǐng)看下圖：

        圖3

    不知是否有人會(huì)驚訝，a明明是右值引用，為什么會(huì)調(diào)用void f(int& lfa)？換句話說(shuō)，a什么時(shí)候變成了左值？

    現(xiàn)在，要告訴大家一個(gè)結(jié)論（相信許多人都知道，就當(dāng)在下是重復(fù)吧）：

     C++標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，具名的右值引用被當(dāng)作左值。[注 6]這一規(guī)定的意義在于，右值引用本來(lái)是用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)語(yǔ)義，因而需要綁定一個(gè)對(duì)象的內(nèi)存地址，然后具有修改這一對(duì)象內(nèi)容的權(quán)限，這些操作與左值綁定完全一樣。右值綁定與左值綁定的分野在于確定函數(shù)重載時(shí)的分辨。對(duì)于移動(dòng)構(gòu)造成員函數(shù)與移動(dòng)賦值運(yùn)算符成員函數(shù)，其形、實(shí)參數(shù)結(jié)合時(shí)是按照右值引用處理；而在這兩個(gè)成員函數(shù)體內(nèi)部，由于形參都是具名的，因而都被當(dāng)作左值，這就可以用該形參來(lái)修改傳入對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)。另外，右值引用作為xvalue（臨終值）本來(lái)是用于移動(dòng)語(yǔ)義中一次性搬空其內(nèi)容。具名使其具有更為持久的生存期，這是危險(xiǎn)的，因而規(guī)定具名后為左值引用，除非程序顯式指定其類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為右值引用。
                                                             ——維基百科   地址：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%B3%E5%80%BC%E5%BC%95%E7%94%A8

     另外，從上圖也可以看出，&&和&的不同可以作為重載標(biāo)志。

     現(xiàn)在，相信大家也不再驚訝?；剡^(guò)頭來(lái)看圖2，我們明白，這個(gè)驗(yàn)證是無(wú)效的，ra被當(dāng)成左值，相當(dāng)于還是在驗(yàn)證規(guī)則1。那么，怎么辦呢？看下圖：

        圖4

    雖然結(jié)論沒(méi)有變化，但這種驗(yàn)證方法是有效的。

    讀者可以在圖4代碼的基礎(chǔ)上，加入圖3中的兩個(gè)f函數(shù)，然后在main函數(shù)中寫(xiě)f(rt());會(huì)得到“右值:1”這樣的輸出。為縮短文章篇幅，這里就不截圖了，請(qǐng)讀者自己驗(yàn)證。

關(guān)于圖4的代碼，說(shuō)以下幾點(diǎn)：

1.前面說(shuō)過(guò)，具名右值引用按左值引用處理，所以，要達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，不能將具名右值引用傳給函數(shù)wai()，所以我們傳函數(shù)返回值這樣的不具名右值引用。

2.如果我們返回局部變量或是臨時(shí)對(duì)象的引用（比如在rt()函數(shù)中寫(xiě)int a=1;return a++;,哪怕將int a=1;放在全局，也是不行的，因?yàn)閍++就是返回++前a的一份拷貝，屬于臨時(shí)對(duì)象），結(jié)果是不正確的（得不到輸出1）。（具體原因在下暫時(shí)還不清楚，可能是后邊的代碼執(zhí)行時(shí)將臨時(shí)變量的空間覆蓋（重寫(xiě)）了，在下反匯編單步也沒(méi)找出確切的答案（在下匯編學(xué)得不怎么樣），這里煩請(qǐng)有知道原因的大牛給出指點(diǎn)，在下感激不盡，先行謝過(guò)）

3.就像大家在圖4中看到的那樣，rt()函數(shù)中必須將全局變量a強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換為int&&型再返回，否則，如果寫(xiě)成return a;，編譯器將產(chǎn)生類似“無(wú)法將右值引用綁定到左值”的報(bào)錯(cuò)，原因是具名右值引用a被當(dāng)做左值。

4.void wai(const T& w_a)中的const不能省，原因是非常量引用（T&）不能接受右值引用。

5.void nei(const int& n_a)中的const也不能省，正如大家在圖4中看到的，在wai()中執(zhí)行nei(w_a);時(shí)，w_a為const int&類型。

簡(jiǎn)單說(shuō)一下T的推導(dǎo)：

                                                          const T& w_a   （參數(shù)列表中）

                                                        const int& w_a   （函數(shù)調(diào)用后w_a的實(shí)際類型）

     對(duì)比知，T為int型。

     至此，我們可以確定，表1中紅色的A是正確的，A&的說(shuō)法有誤。

3.驗(yàn)證規(guī)則3

圖說(shuō)：

這里只說(shuō)一下T的推導(dǎo)。如下：

                                                     T&& w_a      （參數(shù)列表中w_a的類型）

                                                    int& w_a      （函數(shù)調(diào)用后w_a的實(shí)際類型）

顯然，此時(shí)無(wú)法直接匹配。這里我們運(yùn)用表2（之所以用表2，是因?yàn)楸?比表1更加直觀）中的第2條A& + && -> A&，推出T為int&類型。

4.驗(yàn)證規(guī)則4

圖說(shuō)：

    這里首先說(shuō)一點(diǎn)，前邊我們說(shuō)過(guò)，非常量左值引用不能接受右值引用，上圖中，void nei(int& n_a)，w_a為int&&類型，那么，rt()中的nei(w_a);是如何通過(guò)的呢？

不要忘了，雖然w_a顯示為int&&類型，但它是具名右值引用，所以作為左值引用處理，自然能夠通過(guò)。如果我們將void nei(int& n_a)改為void nei(int&& n_a)，反而不能通過(guò)（w_a被當(dāng)做int&型，int&&不能接受int&），讀者可以自己試一試。

    再說(shuō)一下T的推導(dǎo)：

                                                          T&& w_a      （參數(shù)列表中w_a的類型）

                                                        int&& w_a      （函數(shù)調(diào)用后w_a的實(shí)際類型，不考慮C++11將其視為int&）

對(duì)比，知T為int型。

至此，4個(gè)引用疊加規(guī)則和相應(yīng)的模板參數(shù)類型推導(dǎo)都說(shuō)完了，謝謝大家！

后記：

      在下愛(ài)鉆研，喜探究，實(shí)事求是；但另一方面，又著實(shí)才疏學(xué)淺，能力有限，所以只能做一些基礎(chǔ)性的工作。但即便如此，也難免有疏漏乃至錯(cuò)誤之處，這里，在

  下懇請(qǐng)大家批評(píng)指正，不吝賜教。您的批評(píng)指正就是在下不斷進(jìn)步的源泉！