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函数模板类型推导笔记

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有时候，函数模板类型推导是个让人困惑的玩意儿~

引言

顾名思义，这篇文章的主题是函数模板类型推导，所以不会涉及过多的理论，主要研究的内容是编译器的推导行为。那么如何研究呢？实际上就是引入一些实验代码，来观察编译器的行为，所以这个过程略微有点无聊。
好了，废话不多说，直接进入主题了。

我们以函数模板中的参数传递方式为差异点来进行讨论，对应的我们可以得到四种传递方式。需要注意的是，这只是我们的分类方法，这与普通函数中的四种参数传递方式是不同的。尽管可能存在相似的地方，但本质还是不一样的。
同时还需要注意的是，函数模板类型推导是在编译期完成的。

❗ 注意：本文所使用的编译器是 MSVC2019 自带的编译器，不同编译器的推导结果可能会存在差异。

值传递

第一种方式就是值传递，对应的模板形式：

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template <typename T>
void f1(T t) { }

然后我们针对常见的参数类型，进行测试：

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#include <iostream>

void f(int) { }

template <typename T>
void f1(T t) { }

int main() {
    int i = 0;
    const int ci = i;
    int& ri = i;
    const int& cri = i;
    int&& rri = 20;
    int* pi = &i;
    int* const cpi = &i;
    const int* ptci = &i;
    int a[5] = { 0 };

    f1(i); // T 被推导为 int
    f1(ci); // T 被推导为 int
    f1(ri); // T 被推导为 int
    f1(cri); // T 被推导为 int
    f1(rri); // T 被推导为 int
    f1(pi); // T 被推导为 int*
    f1(cpi); // T 被推导为 int*
    f1(ptci); // T 被推导为 const int*
    f1(a); // T 被推导为 int*
    f1(f); // T 被推导为 void(*)(int)
    f1(50); // T 被推导为 int

    return 0;
}

观察上面的结果，可以发现在值传递方式推导模板实参的一些特点：

  1. 可以传递左值，也可以传递右值，但无法推导出引用，只能推导出原始类型。因为模板实例化生成的函数是值传递的，函数形参是函数实参的拷贝。
  2. 对于指针和引用，顶层 const 会被忽略掉，底层 const 不会被忽略掉。原因同上，模板实例化后的函数是值传递的，函数形参是函数实参的拷贝，在函数内直接修改函数形参，不会对函数实参有任何改变；对应的，底层 const 不能忽略，不能在函数内通过函数形参修改其所指对象的值。
  3. 如果数组和函数名被传递给模板，则推导出来的模板实参是对应的指针。

左值引用传递

第二种方式是左值引用传递，对应的模板形式：

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template <typename T>
void f2(T& t) { }

同样可以进行测试：

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#include <iostream>

template <typename T>
void f2(T& t) { }

int main() {
    int i = 0;
    const int ci = i;
    int& ri = i;
    const int& cri = i;
    int&& rri = 20;
    int* pi = &i;
    int* const cpi = &i;
    const int* ptci = &i;
    int a[5] = { 0 };

    f2(i); // T 被推导为 int
    f2(ci); // T 被推导为 const int
    f2(ri); // T 被推导为 int
    f2(cri); // T 被推导为 const int
    f2(pi); // T 被推导为 int*
    f2(cpi); // T 被推导为 int* const
    f2(ptci); // T 被推导为 const int*
    f2(a); // T 被推导为 int [5]
    f2(f); // T 被推导为 void (int)
    f2(50); // 错误，无法传递右值

    return 0;
}

观察上面的结果，我们也可以得到左值引用传递方式推导模板实参的一些特点：

  1. 可以传递左值，无法传递右值，也无法推导出引用，但本身就是T&，最终t的类型可能是左值引用。
  2. 顶层 const 和底层 const 都不会被忽略，且与实参基本一致，如果实参是 const 的，那么T就是 const 的。
  3. 传递数组和函数名时，推导出来的是对应的类型，不是指针。

常量左值引用传递

第三种方式是常量左值引用传递，对应的模板形式：

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template <typename T>
void f3(const T& t) { }

同样进行测试：

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#include <iostream>

void f(int) { }

template <typename T>
void f3(const T& t) { }

template <typename T>
void f4(T&& t) { }

int main() {
    int i = 0;
    const int ci = i;
    int& ri = i;
    const int& cri = i;
    int&& rri = 20;
    int* pi = &i;
    int* const cpi = &i;
    const int* ptci = &i;
    int a[5] = { 0 };

    f3(i); // T 被推导为 int
    f3(ci); // T 被推导为 int
    f3(ri); // T 被推导为 int
    f3(cri); // T 被推导为 int
    f3(pi); // T 被推导为 int*
    f3(cpi); // T 被推导为 int*
    f3(ptci); // T 被推导为 const int*
    f3(a); // T 被推导为 int [5]
    f3(f); // T 被推导为 void (int)
    f3(50); // T 被推导为 int

    return 0;
}

观察上面的结果，我们也可以得到常量左值引用传递方式推导模板实参的一些特点：

  1. 可以传递左值，也可以传递右值，也无法推导出引用，但本身就是T&，最终t的类型可能是左值引用。从语义上讲，这与常量左值引用的语义也是符合的。
  2. 顶层 const 会被忽略掉，因为本身就是const T&形式，所以即便推导T时，忽略了顶层 const，但最终又加上了顶层 const；对应的，底层 const 会被保留。
  3. 传递数组和函数名时，推导出来的是对应的类型，不再是指针。

右值引用传递

第四种方式是右值引用传递，对应的模板形式：

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template <typename T>
void f4(T&& t) { }

同样进行测试：

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#include <iostream>

void f(int) { }

template <typename T>
void f4(T&& t) { }

int main() {
    int i = 0;
    const int ci = i;
    int& ri = i;
    const int& cri = i;
    int&& rri = 20;
    int* pi = &i;
    int* const cpi = &i;
    const int* ptci = &i;
    int a[5] = { 0 };

    f4(i); // T 被推导为 int&
    f4(ci); // T 被推导为 const int&
    f4(ri); // T 被推导为 int&
    f4(cri); // T 被推导为 const int&
    f4(pi); // T 被推导为 int*&
    f4(cpi); // T 被推导为 int* const&
    f4(ptci); // T 被推导为 const int*&
    f4(a); // T 被推导为 int(&)[5]
    f4(f); // T 被推导为 void (&)(int)
    f4(50); // T 被推导为 int

    return 0;
}

观察上面的结果，我们也可以得到右值引用传递方式推导模板实参的一些特点：

  1. 可以传递左值，也可以传递右值，且会被推导为原始类型的引用。
  2. 顶层 const 和底层 const 都会被保留，且会被推导为原始类型的引用。
  3. 传递数组和函数名时，推导出来的是对应的类型，不再是指针，且会被推导为原始类型的引用。
  4. 为了避免出现引用的引用，对应t的类型会发生引用折叠。

总结

我们根据函数模板的参数传递方式，讨论了四种不同传递方式的特点。可以发现：

  1. 右值引用可以最大限度的保留所传递参数的类型和值类别，且会发生引用折叠现象。
  2. 值传递方式下，顶层 const 会被忽略，底层 const 不会被忽略；数组和函数名会被传递为指针。
  3. 模板根据实参推导类型时，不会对实参进行隐式类型转换，只会按照模板实例化出不同函数。

还需要额外说明的是，本文的内容不需要刻意记忆，遇到了查一下就可以了。
另外，本文也可以作为理解完美转发这篇文章的补充内容。