C++11 图说VS2013下的引用叠加规则和模板参数类型推导规则

背景：
    最近在学习C++STL，出于偶然，在C++Reference上看到了vector下的emplace_back函数，不想由此引发了一系列的“探索”，于是就有了现在这篇博文。

前言：
      右值引用无疑是C++11新特性中一颗耀眼的明珠，在此基础上实现了移动语义和完美转发，三者构成了令很多C++开发者拍案叫绝的“铁三角”（当然不是所有C++开发者）。而在这个“铁三角”中，有一个无法回避的关键细节，那就是引用叠加规则和模板参数类型推导规则。其实，关于这两个规则，可查到的资料不少，但都有一个特点——简单（就形式而言）而难懂（就理解而言）（起码在下这么认为），而且，都没有例证，仅仅是简明扼要地交代。而本文恰恰是将这一细节展开，给出演示和证明。诚然，这不是什么开创性的工作，但在下认为也是必不可少的，因为它让人们对这一关键细节了解得更加深入和透彻，另外，从某个角度来说，也填补了空白。

“图说”是因为：有图有真相，一目了然，真真切切，不容辩驳。
“VS2013下”是因为：本文所有测试和截图都来自VS2013，考虑到不同编译环境下结果可能会略有不同，所以，严谨起见，这里加了“VS2013下”。

最后，再说两点：
    1.本文的行文形式（也可以说是逻辑顺序）：先结论，再证明，必要时加以解说。

    2.本文使用了大量的截图，所以读起来可能会有一种连篇累牍之感（但实际上文章逻辑结构清晰，内容一目了然），给读者带来的阅读上的不适，敬请谅解。

参考资料：
1.维基百科.右值引用   地址：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%B3%E5%80%BC%E5%BC%95%E7%94%A8（强烈建议大家看）
2.聚客频道.[C++] 右值引用：移动语义与完美转发   作者：Dutor   地址：http://ju.outofmemory.cn/entry/105978
3.博客园.【原】C++ 11完美转发   作者：Hujian   地址：http://www.cnblogs.com/hujian/archive/2012/02/17/2355207.html
4.IBM developerWorks.C++11 标准新特性: 右值引用与转移语义  作者：李胜利   地址：http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/1307_lisl_c11/

正文：

    好了，书归正文。
 为把问题说清楚，我们先给出以下函数：

template<typename T>void f(T&& fpar)//formal parameter 形参{    //函数体}//调用int a=1;int& apar=a;//actual parameter 实参f(apar);

 在此基础上，给出以下表格（设A为基本类型，比如int）：

    表1

说明：
     1.在前面的代码中，调用前形参fpar被声明的类型是T&&，调用时传入的实参apar的类型是int&。
     2.上表中，2、3、4列对应了引用叠加规则，2、3、5列对应了模板参数类型推导规则。
     3.由上表可以知道：
       引用叠加规则的规律是：调用前fpar与apar中有一个是&，结果（即调用后fpar的实际类型）就是&；只有当fpar与apar都是&&时，结果才是&&。
       模板参数类型推导规则的规律是：只有调用前fpar是&&，apar是&时，调用后T的实际类型才是A&，其余3种情况下都是A。（仅就上表，许多资料上不上这样，原因

                                     在于红色部分不一样，见下面的说明4）
     4.注意到上表中红色的A，在查阅过的资料中，那个位置是A&，但在下得到的结果却是A，后面会详细解释。
     5.本文所讨论的模板参数类型推导，仅是针对上面例子中的T而言的，在C++11里，更经典的类型推导包括auto，decltype等。

    下面逐一给出验证与说明：

1.验证规则1

看图：

         图1

    程序中我们设断点监视变量，我们看到，ra作为int&类实参调用函数wai（因为是外层函数，这里简单命名为wai，不影响说明问题），调用后，T& w_a变成了int& w_a（即实际类型成了int&），而T w_aa成了int型，即T的类型是int型。这里，调用后形参w_a的实际类型满足引用叠加规则1（上表中的）。

    关于引用叠加，有两种理解方式（以上例为例说明）：

方式一：

          参数传递时，T&与int&“作用”，结果是int&，即T&+int& -> int&。我们将其视为规定，不必解释。（上表正是以这种方式给出的）

方式二：

        参数传递时，将实参ra前面的int&传给T（即将T换成int&），于是，int& & -> int&（注意int& &的两个‘&’间有空格，不是右值引用），而将int& & ->

    int&视为规则。基于方式二，上表将变成（不考虑调用后T的类型）：

   表2

其中，第1个”加数“是将T换成的内容，也就是实参前的类型，第2个”加数“是函数参数列表中T后的引用形式，”和“是函数调用后形参的实际形式。下面图说方式二中规定的正确性：

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

      两种方式都可以。只不过在下觉得，方式二绕一点，并且，有一种T先变成int&（以图1所示为例），然后又变成int的莫名其妙之感。所以，在下推荐方式一。

    在T的推导上，我们采用这样的方式：先由叠加原理得出函数调用后形参的类型，然后将该类型与函数参数列表中形参的类型进行对比、匹配，从而得出T的类型。

如果发现不能匹配，则再次运用叠加规则”推导“出T的类型（我们将在验证规则3时遇到这种情况）。

以图1中的情况为例：

                                                        T& w_a     （形参列表中的）

                                                      int& w_a     （函数调用后形参的实际类型，由叠加规则决定）

    对比知，T为int型。

2.验证规则2

图说：

        图2

这似乎已经验证了规则2，但请看下图：

        图3

    不知是否有人会惊讶，a明明是右值引用，为什么会调用void f(int& lfa)？换句话说，a什么时候变成了左值？

    现在，要告诉大家一个结论（相信许多人都知道，就当在下是重复吧）：

     C++标准规定，具名的右值引用被当作左值。[注 6]这一规定的意义在于，右值引用本来是用于实现移动语义，因而需要绑定一个对象的内存地址，然后具有修改这一对象内容的权限，这些操作与左值绑定完全一样。右值绑定与左值绑定的分野在于确定函数重载时的分辨。对于移动构造成员函数与移动赋值运算符成员函数，其形、实参数结合时是按照右值引用处理；而在这两个成员函数体内部，由于形参都是具名的，因而都被当作左值，这就可以用该形参来修改传入对象的内部状态。另外，右值引用作为xvalue（临终值）本来是用于移动语义中一次性搬空其内容。具名使其具有更为持久的生存期，这是危险的，因而规定具名后为左值引用，除非程序显式指定其类型强制转换为右值引用。
                                                             ——维基百科   地址：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%B3%E5%80%BC%E5%BC%95%E7%94%A8

     另外，从上图也可以看出，&&和&的不同可以作为重载标志。

     现在，相信大家也不再惊讶。回过头来看图2，我们明白，这个验证是无效的，ra被当成左值，相当于还是在验证规则1。那么，怎么办呢？看下图：

        图4

    虽然结论没有变化，但这种验证方法是有效的。

    读者可以在图4代码的基础上，加入图3中的两个f函数，然后在main函数中写f(rt());会得到“右值:1”这样的输出。为缩短文章篇幅，这里就不截图了，请读者自己验证。

关于图4的代码，说以下几点：

1.前面说过，具名右值引用按左值引用处理，所以，要达到实验目的，不能将具名右值引用传给函数wai()，所以我们传函数返回值这样的不具名右值引用。

2.如果我们返回局部变量或是临时对象的引用（比如在rt()函数中写int a=1;return a++;,哪怕将int a=1;放在全局，也是不行的，因为a++就是返回++前a的一份拷贝，属于临时对象），结果是不正确的（得不到输出1）。（具体原因在下暂时还不清楚，可能是后边的代码执行时将临时变量的空间覆盖（重写）了，在下反汇编单步也没找出确切的答案（在下汇编学得不怎么样），这里烦请有知道原因的大牛给出指点，在下感激不尽，先行谢过）

3.就像大家在图4中看到的那样，rt()函数中必须将全局变量a强制类型转换为int&&型再返回，否则，如果写成return a;，编译器将产生类似“无法将右值引用绑定到左值”的报错，原因是具名右值引用a被当做左值。

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，正如大家在图4中看到的，在wai()中执行nei(w_a);时，w_a为const int&类型。

简单说一下T的推导：

                                                          const T& w_a   （参数列表中）

                                                        const int& w_a   （函数调用后w_a的实际类型）

     对比知，T为int型。

     至此，我们可以确定，表1中红色的A是正确的，A&的说法有误。

3.验证规则3

图说：

这里只说一下T的推导。如下：

                                                     T&& w_a      （参数列表中w_a的类型）

                                                    int& w_a      （函数调用后w_a的实际类型）

显然，此时无法直接匹配。这里我们运用表2（之所以用表2，是因为表2比表1更加直观）中的第2条A& + && -> A&，推出T为int&类型。

4.验证规则4

图说：

    这里首先说一点，前边我们说过，非常量左值引用不能接受右值引用，上图中，void nei(int& n_a)，w_a为int&&类型，那么，rt()中的nei(w_a);是如何通过的呢？

不要忘了，虽然w_a显示为int&&类型，但它是具名右值引用，所以作为左值引用处理，自然能够通过。如果我们将void nei(int& n_a)改为void nei(int&& n_a)，反而不能通过（w_a被当做int&型，int&&不能接受int&），读者可以自己试一试。

    再说一下T的推导：

                                                          T&& w_a      （参数列表中w_a的类型）

                                                        int&& w_a      （函数调用后w_a的实际类型，不考虑C++11将其视为int&）

对比，知T为int型。

至此，4个引用叠加规则和相应的模板参数类型推导都说完了，谢谢大家！

后记：

      在下爱钻研，喜探究，实事求是；但另一方面，又着实才疏学浅，能力有限，所以只能做一些基础性的工作。但即便如此，也难免有疏漏乃至错误之处，这里，在

  下恳请大家批评指正，不吝赐教。您的批评指正就是在下不断进步的源泉！