引用传参与reference_wrapper
本文是<functional>系列的第3篇。
引用传参
我有一个函数：
void modify(int& i)
{
++i;
}
因为参数类型是int&，所以函数能够修改传入的整数，而非其拷贝。
然后我用std::bind把它和一个int绑定起来：
int i = 1;
auto f = std::bind(modify, i);
f();
std::cout << i << std::endl;
可是i还是1，为什么呢？原来std::bind会把所有参数都拷贝，即使它是个左值引用。所以modify中修改的变量，实际上是std::bind返回的函数对象中的一个int，并非原来的i。
我们需要std::reference_wrapper：
int j = 1;
auto g = std::bind(modify, std::ref(j));
g();
std::cout << j << std::endl;
std::ref(j)返回的就是std::reference_wrapper<int>对象。
reference_wrapper
std::reference_wrapper及其辅助函数大致长成这样：
template<typename T>
class reference_wrapper
{
public:
template<typename U>
reference_wrapper(U&& x) : ptr(std::addressof(x)) { }
reference_wrapper(const reference_wrapper&) noexcept = default;
reference_wrapper& operator=(const reference_wrapper& x) noexcept = default;
constexpr operator T& () const noexcept { return *ptr; }
constexpr T& get() const noexcept { return *ptr; }
template<typename... Args>
auto operator()(Args&&... args) const
{
return get()(std::forward<Args>(args)...);
}
private:
T* ptr;
};
template<typename T>
reference_wrapper<T> ref(T& t) noexcept
{
return reference_wrapper<T>(t);
}
template<typename T>
reference_wrapper<T> ref(reference_wrapper<T> t) noexcept
{
return t;
}
template<typename T>
void ref(const T&&) = delete;
template<typename T>
reference_wrapper<const T> cref(const T& t) noexcept
{
return reference_wrapper<const T>(t);
}
template<typename T>
reference_wrapper<const T> cref(reference_wrapper<T> t) noexcept
{
return reference_wrapper<const T>(t.get());
}
template<typename T>
void cref(const T&&) = delete;
可见，std::reference_wrapper不过是包装一个指针罢了。它重载了operator T&，对象可以隐式转换回原来的引用；它还重载了operator()，包装函数对象时可以直接使用函数调用运算符；调用其他成员函数时，要先用get方法获得其内部的引用。
std::reference_wrapper的意义在于：
引用不是对象，不存在引用的引用、引用的数组等，但
std::reference_wrapper是，使得定义引用的容器成为可能；模板函数无法辨别你在传入左值引用时的意图是传值还是传引用，
std::ref和std::cref告诉那个模板，你要传的是引用。
实现
尽管std::reference_wrapper的简单（但是不完整的）实现可以在50行以内完成，GCC的标准库为了实现一个完美的std::reference_wrapper还是花了300多行（还不包括std::invoke），其中200多行是为了定义result_type、argument_type、first_argument_type和second_argument_type这几个在C++17中废弃、C++20中移除的成员类型。如果你是在C++20完全普及以后读到这篇文章的，就当考古来看吧！
继承成员类型
定义这些类型所用的工具是继承，一种特殊的、没有“is-a”含义的public继承。以_Maybe_unary_or_binary_function为例：
template<typename _Arg, typename _Result>
struct unary_function
{
typedef _Arg argument_type;
typedef _Result result_type;
};
template<typename _Arg1, typename _Arg2, typename _Result>
struct binary_function
{
typedef _Arg1 first_argument_type;
typedef _Arg2 second_argument_type;
typedef _Result result_type;
};
template<typename _Res, typename... _ArgTypes>
struct _Maybe_unary_or_binary_function { };
template<typename _Res, typename _T1>
struct _Maybe_unary_or_binary_function<_Res, _T1>
: std::unary_function<_T1, _Res> { };
template<typename _Res, typename _T1, typename _T2>
struct _Maybe_unary_or_binary_function<_Res, _T1, _T2>
: std::binary_function<_T1, _T2, _Res> { };
然后std::function<Res(Args...)>去继承_Maybe_unary_or_binary_function<Res, Args...>：当sizeof...(Args) == 1时继承到std::unary_function，定义argument_type；当sizeof...(Args) == 2时继承到std::binary_function，定义first_argument_type和second_argument_type；否则继承一个空的_Maybe_unary_or_binary_function，什么定义都没有。
各种模板技巧，tag dispatching、SFINAE等，面对这种需求都束手无策，只有继承管用。
成员函数特征
template<typename _Signature>
struct _Mem_fn_traits;
template<typename _Res, typename _Class, typename... _ArgTypes>
struct _Mem_fn_traits_base
{
using __result_type = _Res;
using __maybe_type
= _Maybe_unary_or_binary_function<_Res, _Class*, _ArgTypes...>;
using __arity = integral_constant<size_t, sizeof...(_ArgTypes)>;
};
#define _GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS2(_CV, _REF, _LVAL, _RVAL) \
template<typename _Res, typename _Class, typename... _ArgTypes> \
struct _Mem_fn_traits<_Res (_Class::*)(_ArgTypes...) _CV _REF> \
: _Mem_fn_traits_base<_Res, _CV _Class, _ArgTypes...> \
{ \
using __vararg = false_type; \
}; \
template<typename _Res, typename _Class, typename... _ArgTypes> \
struct _Mem_fn_traits<_Res (_Class::*)(_ArgTypes... ...) _CV _REF> \
: _Mem_fn_traits_base<_Res, _CV _Class, _ArgTypes...> \
{ \
using __vararg = true_type; \
};
#define _GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS(_REF, _LVAL, _RVAL) \
_GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS2( , _REF, _LVAL, _RVAL) \
_GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS2(const , _REF, _LVAL, _RVAL) \
_GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS2(volatile , _REF, _LVAL, _RVAL) \
_GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS2(const volatile, _REF, _LVAL, _RVAL)
_GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS( , true_type, true_type)
_GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS(&, true_type, false_type)
_GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS(&&, false_type, true_type)
#if __cplusplus > 201402L
_GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS(noexcept, true_type, true_type)
_GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS(& noexcept, true_type, false_type)
_GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS(&& noexcept, false_type, true_type)
#endif
#undef _GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS
#undef _GLIBCXX_MEM_FN_TRAITS2
_Mem_fn_traits是成员函数类型的特征（trait）类型，定义了__result_type、__maybe_type、__arity和__vararg成员类型：__arity表示元数，__vararg指示成员函数类型是否是可变参数的（如std::printf，非变参模板）。... ...中的前三个点表示变参模板，后三个点表示可变参数，参考：What are the 6 dots in template parameter packs?
成员函数类型有const、volatile、&/&&、noexcept（C++17开始noexcept成为函数类型的一部分）4个维度，共24种，单独定义太麻烦，所以用了宏。
检测成员类型
一个类模板，当模板参数的类型定义了成员类型result_type时该类模板也定义它，否则不定义它，如何实现？我刚刚新学到一种方法，用void_t（即__void_t）。
void_t的定义出奇地简单：
template<typename...>
using void_t = void;
不就是一个void嘛，有什么用呢？请看：
template<typename _Functor, typename = __void_t<>>
struct _Maybe_get_result_type
{ };
template<typename _Functor>
struct _Maybe_get_result_type<_Functor,
__void_t<typename _Functor::result_type>>
{ typedef typename _Functor::result_type result_type; };
第二个定义是第一个定义的特化。当_Functor类型定义了result_type时，两个都正确，但是第二个更加特化，匹配到第二个，传播result_type；反之，第二个在实例化过程中发生错误，根据SFINAE，匹配到第一个，不定义result_type。
void_t的技巧，本质上还是SFINAE。
以下两个类同理：
template<typename _Tp, typename = __void_t<>>
struct _Refwrap_base_arg1
{ };
template<typename _Tp>
struct _Refwrap_base_arg1<_Tp,
__void_t<typename _Tp::argument_type>>
{
typedef typename _Tp::argument_type argument_type;
};
template<typename _Tp, typename = __void_t<>>
struct _Refwrap_base_arg2
{ };
template<typename _Tp>
struct _Refwrap_base_arg2<_Tp,
__void_t<typename _Tp::first_argument_type,
typename _Tp::second_argument_type>>
{
typedef typename _Tp::first_argument_type first_argument_type;
typedef typename _Tp::second_argument_type second_argument_type;
};
分类讨论
#if __cpp_noexcept_function_type
#define _GLIBCXX_NOEXCEPT_PARM , bool _NE
#define _GLIBCXX_NOEXCEPT_QUAL noexcept (_NE)
#else
#define _GLIBCXX_NOEXCEPT_PARM
#define _GLIBCXX_NOEXCEPT_QUAL
#endif
/**
* Base class for any function object that has a weak result type, as
* defined in 20.8.2 [func.require] of C++11.
*/
template<typename _Functor>
struct _Weak_result_type_impl
: _Maybe_get_result_type<_Functor>
{ };
/// Retrieve the result type for a function type.
template<typename _Res, typename... _ArgTypes _GLIBCXX_NOEXCEPT_PARM>
struct _Weak_result_type_impl<_Res(_ArgTypes...) _GLIBCXX_NOEXCEPT_QUAL>
{ typedef _Res result_type; };
/// Retrieve the result type for a varargs function type.
template<typename _Res, typename... _ArgTypes _GLIBCXX_NOEXCEPT_PARM>
struct _Weak_result_type_impl<_Res(_ArgTypes......) _GLIBCXX_NOEXCEPT_QUAL>
{ typedef _Res result_type; };
/// Retrieve the result type for a function pointer.
template<typename _Res, typename... _ArgTypes _GLIBCXX_NOEXCEPT_PARM>
struct _Weak_result_type_impl<_Res(*)(_ArgTypes...) _GLIBCXX_NOEXCEPT_QUAL>
{ typedef _Res result_type; };
/// Retrieve the result type for a varargs function pointer.
template<typename _Res, typename... _ArgTypes _GLIBCXX_NOEXCEPT_PARM>
struct
_Weak_result_type_impl<_Res(*)(_ArgTypes......) _GLIBCXX_NOEXCEPT_QUAL>
{ typedef _Res result_type; };
// Let _Weak_result_type_impl perform the real work.
template<typename _Functor,
bool = is_member_function_pointer<_Functor>::value>
struct _Weak_result_type_memfun
: _Weak_result_type_impl<_Functor>
{ };
// A pointer to member function has a weak result type.
template<typename _MemFunPtr>
struct _Weak_result_type_memfun<_MemFunPtr, true>
{
using result_type = typename _Mem_fn_traits<_MemFunPtr>::__result_type;
};
// A pointer to data member doesn't have a weak result type.
template<typename _Func, typename _Class>
struct _Weak_result_type_memfun<_Func _Class::*, false>
{ };
/**
* Strip top-level cv-qualifiers from the function object and let
* _Weak_result_type_memfun perform the real work.
*/
template<typename _Functor>
struct _Weak_result_type
: _Weak_result_type_memfun<typename remove_cv<_Functor>::type>
{ };
/**
* Derives from unary_function or binary_function when it
* can. Specializations handle all of the easy cases. The primary
* template determines what to do with a class type, which may
* derive from both unary_function and binary_function.
*/
template<typename _Tp>
struct _Reference_wrapper_base
: _Weak_result_type<_Tp>, _Refwrap_base_arg1<_Tp>, _Refwrap_base_arg2<_Tp>
{ };
// - a function type (unary)
template<typename _Res, typename _T1 _GLIBCXX_NOEXCEPT_PARM>
struct _Reference_wrapper_base<_Res(_T1) _GLIBCXX_NOEXCEPT_QUAL>
: unary_function<_T1, _Res>
{ };
template<typename _Res, typename _T1>
struct _Reference_wrapper_base<_Res(_T1) const>
: unary_function<_T1, _Res>
{ };
template<typename _Res, typename _T1>
struct _Reference_wrapper_base<_Res(_T1) volatile>
: unary_function<_T1, _Res>
{ };
template<typename _Res, typename _T1>
struct _Reference_wrapper_base<_Res(_T1) const volatile>
: unary_function<_T1, _Res>
{ };
// - a function type (binary)
template<typename _Res, typename _T1, typename _T2 _GLIBCXX_NOEXCEPT_PARM>
struct _Reference_wrapper_base<_Res(_T1, _T2) _GLIBCXX_NOEXCEPT_QUAL>
: binary_function<_T1, _T2, _Res>
{ };
template<typename _Res, typename _T1, typename _T2>
struct _Reference_wrapper_base<_Res(_T1, _T2) const>
: binary_function<_T1, _T2, _Res>
{ };
template<typename _Res, typename _T1, typename _T2>
struct _Reference_wrapper_base<_Res(_T1, _T2) volatile>
: binary_function<_T1, _T2, _Res>
{ };
template<typename _Res, typename _T1, typename _T2>
struct _Reference_wrapper_base<_Res(_T1, _T2) const volatile>
: binary_function<_T1, _T2, _Res>
{ };
// - a function pointer type (unary)
template<typename _Res, typename _T1 _GLIBCXX_NOEXCEPT_PARM>
struct _Reference_wrapper_base<_Res(*)(_T1) _GLIBCXX_NOEXCEPT_QUAL>
: unary_function<_T1, _Res>
{ };
// - a function pointer type (binary)
template<typename _Res, typename _T1, typename _T2 _GLIBCXX_NOEXCEPT_PARM>
struct _Reference_wrapper_base<_Res(*)(_T1, _T2) _GLIBCXX_NOEXCEPT_QUAL>
: binary_function<_T1, _T2, _Res>
{ };
template<typename _Tp, bool = is_member_function_pointer<_Tp>::value>
struct _Reference_wrapper_base_memfun
: _Reference_wrapper_base<_Tp>
{ };
template<typename _MemFunPtr>
struct _Reference_wrapper_base_memfun<_MemFunPtr, true>
: _Mem_fn_traits<_MemFunPtr>::__maybe_type
{
using result_type = typename _Mem_fn_traits<_MemFunPtr>::__result_type;
};
不说了，看图：
我的感受：
大功告成
template<typename _Tp>
class reference_wrapper
: public _Reference_wrapper_base_memfun<typename remove_cv<_Tp>::type>
{
_Tp* _M_data;
public:
typedef _Tp type;
reference_wrapper(_Tp& __indata) noexcept
: _M_data(std::__addressof(__indata))
{ }
reference_wrapper(_Tp&&) = delete;
reference_wrapper(const reference_wrapper&) = default;
reference_wrapper&
operator=(const reference_wrapper&) = default;
operator _Tp&() const noexcept
{ return this->get(); }
_Tp&
get() const noexcept
{ return *_M_data; }
template<typename... _Args>
typename result_of<_Tp&(_Args&&...)>::type
operator()(_Args&&... __args) const
{
return std::__invoke(get(), std::forward<_Args>(__args)...);
}
};
template<typename _Tp>
inline reference_wrapper<_Tp>
ref(_Tp& __t) noexcept
{ return reference_wrapper<_Tp>(__t); }
template<typename _Tp>
inline reference_wrapper<const _Tp>
cref(const _Tp& __t) noexcept
{ return reference_wrapper<const _Tp>(__t); }
template<typename _Tp>
void ref(const _Tp&&) = delete;
template<typename _Tp>
void cref(const _Tp&&) = delete;
template<typename _Tp>
inline reference_wrapper<_Tp>
ref(reference_wrapper<_Tp> __t) noexcept
{ return __t; }
template<typename _Tp>
inline reference_wrapper<const _Tp>
cref(reference_wrapper<_Tp> __t) noexcept
{ return { __t.get() }; }
最后组装一下就好啦！
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