前提

在看别人写的一些库时，总是会碰见万能引用，引用折叠，完美转发这几个概念，这次对它们做一个详细的整理。

万能引用

万能引用 是一个特殊的引用类型，经常在模版编程中使用。它即可以绑定到左值，也可以绑定到右值，也就是说，使用万能引用的函数参数即可以接受左值，也可以接受右值。

万能引用是通过以下条件识别的：

1. 在函数模版中，参数类型是T&&的形式
2. T是一个模版参数

当这两个条件都满足的时候，T&&被称为万能引用。万能引用的特别之处在于它可以绑定到左值、右值以及常量对象和非常量对象。

一个示例如下：

#include <iostream>
#include <utility> // for std::forward// 使用万能引用的模板函数
template<typename T>
void forwarder(T&& arg) {  // T&& 被称为万能引用std::cout << "num: " << arg << std::endl;
}int main() {int a = 42;forwarder(a);     // 即可以传递左值forwarder(42);    // 也可以传递右值return 0;
}

为什么需要万能引用

万能引用的主要用途是实现完美转发。接下来我们介绍完美转发。

引用折叠

在介绍完美转发之前，我们先介绍一个完美转发中的概念——引用折叠。

一个模版函数，根据定义的形参和传入的实参的类型，我们可以有下面四种组合：

1. 函数定义的形参类型是左值引用T&，传入的实参是左值引用&
2. 函数定义的形参类型是左值引用T&，传入的实参是左值引用&&
3. 函数定义的形参类型是右值引用T&&，传入的实参是左值引用&
4. 函数定义的形参类型是右值引用T&&，传入的实参是右值引用&&

所有的引用折叠最终都代表一个引用，要么是左值引用，要么是右值引用。引用折叠的规则很简单：如果任一引用为左值引用，则结果为左值引用。只有两个都是右值引用，结果才为右值引用。

所以上述四种组合经过折叠后，结果如下：

1. T& &折叠为T&
2. T& &&折叠为T&
3. T&& &折叠为T&
4. T&& &&折叠为T&&

我们来看一个例子：

#include <iostream>// 泛型函数，展示引用折叠
template<typename T>
void referenceCollapsing(T&& arg) {// 打印参数类型if constexpr (std::is_lvalue_reference<decltype(arg)>::value) {std::cout << "arg is an lvalue reference" << std::endl;}else if constexpr (std::is_rvalue_reference<decltype(arg)>::value) {std::cout << "arg is an rvalue reference" << std::endl;}else {std::cout << "arg is not a reference" << std::endl;}
}int main() {int x = 42;referenceCollapsing(x);     // x 是左值，T 推导为 int&，折叠后arg的类型为 int&referenceCollapsing(42);    // 42 是右值，T 推导为 int, 折叠后arg的类型为 int&&return 0;
}

上面的这个例子应该能说明折叠引用的问题。

接下来看这份代码：

#include <iostream>
#include <utility>void process(int& x) {std::cout << "Processing lvalue: " << x << std::endl;
}void process(int&& x) {std::cout << "Processing rvalue: " << x << std::endl;
}template<typename T>
void forwarder(T&& arg) {process(arg);
}int main() {int a = 5;forwarder(a);    forwarder(10);   return 0;
}

简单分析下：forwarder模版函数使用了万能引用。在main函数中，调用了两次forward函数，一次传入的参数是左值a，一次传入的参数是右值10。同时重载了process函数，一个形参类型是int&，一个形参类型是int&&。

代码运行的结果如下：

Processing lvalue: 5
Processing lvalue: 10

当传入参数为左值a时，运用引用折叠的规则，此时arg的类型为int&，所以调用process(int& x)；
当当传入参数为右值10时，运用引用折叠的规则，此时arg的类型为int&&，应该调用process(int&& x) 。

但是从结果来看，第二次调用了process(int& x)。为什么呢？
因为在forwarder的函数体内，虽然arg的类型为右值引用，但是它也有了变量名称，也可以取地址，所以当forwarder函数内部调用其它函数并将arg作为参数时，此时arg变为了右值。

那么如何解决这个问题呢？这就要用到完美转发了。

完美转发

完美转发（Perfect Forwarding）是C++11引入的一种技术，用于在函数模板中将参数“完美地”传递给另一个函数。这意味着参数的值类别（左值或右值）和所有修饰符（如 const、volatile 等）都能被保留，从而使被调用的函数能够正确处理参数。

std::forward

std::forward 是 C++11 引入的一个标准库函数模板，用于在泛型编程中实现完美转发（perfect forwarding）。它的主要作用是保持传入参数的值类别（左值或右值）不变地传递给另一个函数。

基本用法

测试代码如下：

#include <iostream>
#include <utility> // 包含 std::forward
#include <type_traits>// 普通函数重载，分别处理左值和右值
void process(int& x) {std::cout << "Processing lvalue: " << x << std::endl;
}void process(int&& x) {std::cout << "Processing rvalue: " << x << std::endl;
}// 泛型函数，用于转发参数
template <typename T>
void forwarder(T&& arg) {process(std::forward<T>(arg));
}int main() {int a = 5;forwarder(a);    // 传递左值forwarder(10);   // 传递右值return 0;
}

运行结果为：

Processing lvalue: 5
Processing rvalue: 10

这下就对了。

参考链接

1. C++中的万能引用和完美转发