C++11 圖說VS2013下的引用疊加規則和模板參數類型推導規則

背景：
    最近在學習C++STL，出于偶然，在C++Reference上看到了vector下的emplace_back函數，不想由此引發了一系列的“探索”，于是就有了現在這篇博文。

前言：
      右值引用無疑是C++11新特性中一顆耀眼的明珠，在此基礎上實現了移動語義和完美轉發，三者構成了令很多C++開發者拍案叫絕的“鐵三角”（當然不是所有C++開發者）。而在這個“鐵三角”中，有一個無法回避的關鍵細節，那就是引用疊加規則和模板參數類型推導規則。其實，關于這兩個規則，可查到的資料不少，但都有一個特點——簡單（就形式而言）而難懂（就理解而言）（起碼在下這么認為），而且，都沒有例證，僅僅是簡明扼要地交代。而本文恰恰是將這一細節展開，給出演示和證明。誠然，這不是什么開創性的工作，但在下認為也是必不可少的，因為它讓人們對這一關鍵細節了解得更加深入和透徹，另外，從某個角度來說，也填補了空白。

“圖說”是因為：有圖有真相，一目了然，真真切切，不容辯駁。
“VS2013下”是因為：本文所有測試和截圖都來自VS2013，考慮到不同編譯環境下結果可能會略有不同，所以，嚴謹起見，這里加了“VS2013下”。

最后，再說兩點：
    1.本文的行文形式（也可以說是邏輯順序）：先結論，再證明，必要時加以解說。

    2.本文使用了大量的截圖，所以讀起來可能會有一種連篇累牘之感（但實際上文章邏輯結構清晰，內容一目了然），給讀者帶來的閱讀上的不適，敬請諒解。

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（強烈建議大家看）
2.聚客頻道.[C++] 右值引用：移動語義與完美轉發   作者：Dutor   地址：http://ju.outofmemory.cn/entry/105978
3.博客園.【原】C++ 11完美轉發   作者：Hujian   地址：http://www.cnblogs.com/hujian/archive/2012/02/17/2355207.html
4.IBM developerWorks.C++11 標準新特性: 右值引用與轉移語義  作者：李勝利   地址：http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/1307_lisl_c11/

正文：

    好了，書歸正文。
 為把問題說清楚，我們先給出以下函數：

template<typename T>void f(T&& fpar)//formal parameter 形參{    //函數體}//調用int a=1;int& apar=a;//actual parameter 實參f(apar);

 在此基礎上，給出以下表格（設A為基本類型，比如int）：

    表1

說明：
     1.在前面的代碼中，調用前形參fpar被聲明的類型是T&&，調用時傳入的實參apar的類型是int&。
     2.上表中，2、3、4列對應了引用疊加規則，2、3、5列對應了模板參數類型推導規則。
     3.由上表可以知道：
       引用疊加規則的規律是：調用前fpar與apar中有一個是&，結果（即調用后fpar的實際類型）就是&；只有當fpar與apar都是&&時，結果才是&&。
       模板參數類型推導規則的規律是：只有調用前fpar是&&，apar是&時，調用后T的實際類型才是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，見下面的說明4）
     4.注意到上表中紅色的A，在查閱過的資料中，那個位置是A&，但在下得到的結果卻是A，后面會詳細解釋。
     5.本文所討論的模板參數類型推導，僅是針對上面例子中的T而言的，在C++11里，更經典的類型推導包括auto，decltype等。

    下面逐一給出驗證與說明：

1.驗證規則1

看圖：

         圖1

    程序中我們設斷點監視變量，我們看到，ra作為int&類實參調用函數wai（因為是外層函數，這里簡單命名為wai，不影響說明問題），調用后，T& w_a變成了int& w_a（即實際類型成了int&），而T w_aa成了int型，即T的類型是int型。這里，調用后形參w_a的實際類型滿足引用疊加規則1（上表中的）。

    關于引用疊加，有兩種理解方式（以上例為例說明）：

方式一：

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

方式二：

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

    int&視為規則。基于方式二，上表將變成（不考慮調用后T的類型）：

   表2

其中，第1個”加數“是將T換成的內容，也就是實參前的類型，第2個”加數“是函數參數列表中T后的引用形式，”和“是函數調用后形參的實際形式。下面圖說方式二中規定的正確性：

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

      兩種方式都可以。只不過在下覺得，方式二繞一點，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的推導上，我們采用這樣的方式：先由疊加原理得出函數調用后形參的類型，然后將該類型與函數參數列表中形參的類型進行對比、匹配，從而得出T的類型。

如果發現不能匹配，則再次運用疊加規則”推導“出T的類型（我們將在驗證規則3時遇到這種情況）。

以圖1中的情況為例：

                                                        T& w_a     （形參列表中的）

                                                      int& w_a     （函數調用后形參的實際類型，由疊加規則決定）

    對比知，T為int型。

2.驗證規則2

圖說：

        圖2

這似乎已經驗證了規則2，但請看下圖：

        圖3

    不知是否有人會驚訝，a明明是右值引用，為什么會調用void f(int& lfa)？換句話說，a什么時候變成了左值？

    現在，要告訴大家一個結論（相信許多人都知道，就當在下是重復吧）：

     C++標準規定，具名的右值引用被當作左值。[注 6]這一規定的意義在于，右值引用本來是用于實現移動語義，因而需要綁定一個對象的內存地址，然后具有修改這一對象內容的權限，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重載時的分辨。對于移動構造成員函數與移動賦值運算符成員函數，其形、實參數結合時是按照右值引用處理；而在這兩個成員函數體內部，由于形參都是具名的，因而都被當作左值，這就可以用該形參來修改傳入對象的內部狀態。另外，右值引用作為xvalue（臨終值）本來是用于移動語義中一次性搬空其內容。具名使其具有更為持久的生存期，這是危險的，因而規定具名后為左值引用，除非程序顯式指定其類型強制轉換為右值引用。
                                                             ——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志。

     現在，相信大家也不再驚訝。回過頭來看圖2，我們明白，這個驗證是無效的，ra被當成左值，相當于還是在驗證規則1。那么，怎么辦呢？看下圖：

        圖4

    雖然結論沒有變化，但這種驗證方法是有效的。

    讀者可以在圖4代碼的基礎上，加入圖3中的兩個f函數，然后在main函數中寫f(rt());會得到“右值:1”這樣的輸出。為縮短文章篇幅，這里就不截圖了，請讀者自己驗證。

關于圖4的代碼，說以下幾點：

1.前面說過，具名右值引用按左值引用處理，所以，要達到實驗目的，不能將具名右值引用傳給函數wai()，所以我們傳函數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對象的引用（比如在rt()函數中寫int a=1;return a++;,哪怕將int a=1;放在全局，也是不行的，因為a++就是返回++前a的一份拷貝，屬于臨時對象），結果是不正確的（得不到輸出1）。（具體原因在下暫時還不清楚，可能是后邊的代碼執行時將臨時變量的空間覆蓋（重寫）了，在下反匯編單步也沒找出確切的答案（在下匯編學得不怎么樣），這里煩請有知道原因的大牛給出指點，在下感激不盡，先行謝過）

3.就像大家在圖4中看到的那樣，rt()函數中必須將全局變量a強制類型轉換為int&&型再返回，否則，如果寫成return a;，編譯器將產生類似“無法將右值引用綁定到左值”的報錯，原因是具名右值引用a被當做左值。

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()中執行nei(w_a);時，w_a為const int&類型。

簡單說一下T的推導：

                                                          const T& w_a   （參數列表中）

                                                        const int& w_a   （函數調用后w_a的實際類型）

     對比知，T為int型。

     至此，我們可以確定，表1中紅色的A是正確的，A&的說法有誤。

3.驗證規則3

圖說：

這里只說一下T的推導。如下：

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

                                                    int& w_a      （函數調用后w_a的實際類型）

顯然，此時無法直接匹配。這里我們運用表2（之所以用表2，是因為表2比表1更加直觀）中的第2條A& + && -> A&，推出T為int&類型。

4.驗證規則4

圖說：

    這里首先說一點，前邊我們說過，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。如果我們將void nei(int& n_a)改為void nei(int&& n_a)，反而不能通過（w_a被當做int&型，int&&不能接受int&），讀者可以自己試一試。

    再說一下T的推導：

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

                                                        int&& w_a      （函數調用后w_a的實際類型，不考慮C++11將其視為int&）

對比，知T為int型。

至此，4個引用疊加規則和相應的模板參數類型推導都說完了，謝謝大家！

后記：

      在下愛鉆研，喜探究，實事求是；但另一方面，又著實才疏學淺，能力有限，所以只能做一些基礎性的工作。但即便如此，也難免有疏漏乃至錯誤之處，這里，在

  下懇請大家批評指正，不吝賜教。您的批評指正就是在下不斷進步的源泉！