C ++での完全な送信とユニバーサルリンク

最近、Eli Benderskyによる記事「C ++での完全な転送と普遍的な参照」へのリンクがisocpp.orgで公開されました。 この短い記事には、単純な質問に対する単純な答えがあります-どのタスクと右辺値リンクの使用方法について。

プログラムの効率を高めることを目的とするC ++ 11の革新の1つは、STLコンテナーのメソッドのプレースファミリです。 たとえば、std :: vectorでは、emplace_backメソッド（ほぼpush_backメソッドの類似）とemplaceメソッド（ほぼinsertメソッドの類似）が登場しました。
これらの新しいメソッドの目的を示す小さな例を次に示します。

class MyKlass { public: MyKlass(int ii_, float ff_) {...} private: {...} }; some function { std::vector<MyKlass> v; v.push_back(MyKlass(2, 3.14f)); v.emplace_back(2, 3.14f); } 

MyKlassクラスのコンストラクターとデストラクターの呼び出しに従うと、push_back呼び出し中に次のことがわかります。

• 最初に、クラスMyKlassの一時オブジェクトのコンストラクターが実行されます
• 次に、ベクター内に直接配置されたオブジェクトに対して、移動コンストラクターが呼び出されます（MyClassで定義されている場合、定義されていない場合、コピーコンストラクターが呼び出されます）
• 一時オブジェクトデストラクタ

ご覧のように、push_backメソッドに渡されるオブジェクトは明らかに右辺値参照であり、この式が実行された直後に破棄されるため、非常に多くの作業が行われていますが、その多くはそれほど必要ありません。 したがって、一時オブジェクトを作成および破棄する理由はありません。 この場合、ベクターのすぐ内側にオブジェクトを作成しないのはなぜですか？ これはまさにemplace_backメソッドが行うことです。 例v.emplace_back（2、3.14f）の式では、1つのコンストラクターのみが実行され、ベクター内にオブジェクトが作成されます。 一時オブジェクトを使用しません。 emplace_back自体がMyKlassのコンストラクターを呼び出し、必要な引数をそれに渡します。 この動作は、C ++ 11の2つの革新によって可能になりました。可変数の引数を持つテンプレート（可変アドインテンプレート）と理想的な送信（完全転送）です。 この記事では、完璧な伝送がどのように機能し、どのように使用するかを説明します。

完全な伝送問題

タイプE1、E2、...、Enのパラメーターを受け取るfunc関数があるとします。 同じパラメーターのセットを受け入れるラッパー関数を作成する必要があります。 言い換えると、一時変数を作成せずに受信したパラメーターを別の関数に渡す関数を定義する、つまり理想的な転送を実行します。
問題を特定するには、上記で説明したemplace_backメソッドを検討してください。 vector :: emplace_backは、Tが何であるかを何も知らずに、そのパラメーターをTコンストラクターに渡します。
次のステップでは、C ++ 11の革新を使用せずにこの動作を実現する方法を示すいくつかの例を検討します。 簡単にするために、可変数の引数パラメーターを持つテンプレートを使用する必要性を考慮しません; 2つの引数のみが必要であると仮定します。
頭に浮かぶ最初のオプション：

 template <typename T1, typename T2> void wrapper(T1 e1, T2 e2) { func(e1, e2); } 

しかし、ラッパーは値によってパラメーターを受け入れるため、funcが参照によってパラメーターを受け入れる場合、これは明らかに必要に応じて機能しません。 この場合、funcが参照によって受け取ったパラメーターを変更しても、ラッパーに渡されるパラメーターには影響しません（ラッパー内で作成されたコピーは変更されます）。
それでは、参照によってパラメーターを受け入れるようにラッパーをやり直すことができます。 funcが参照ではなく値で受け入れられる場合、これは障害になりません。ラッパー内のfuncはそれ自体に必要なコピーを作成するためです。

 template <typename T1, typename T2> void wrapper(T1& e1, T2& e2) { func(e1, e2); } 

別の問題があります。 右辺値を参照として関数に渡すことはできません。 したがって、完全に簡単な呼び出しはコンパイルされません。

 wrapper(42, 3.14f); // :    rvalue- wrapper(i, foo_returning_float()); //    

そして、これらのリンクを一定にするというアイデアが生まれた場合、すぐに問題は解決しません。 funcでは、パラメーターとして非定数の参照が必要になる場合があるためです。
残っているのは、いくつかのライブラリで使用されている粗雑なアプローチです：一定の非定数リンクの関数をオーバーロードするには：

 template <typename T1, typename T2> void wrapper(T1& e1, T2& e2) { func(e1, e2); } template <typename T1, typename T2> void wrapper(const T1& e1, T2& e2) { func(e1, e2); } template <typename T1, typename T2> void wrapper(T1& e1, const T2& e2) { func(e1, e2); } template <typename T1, typename T2> void wrapper(const T1& e1, const T2& e2) { func(e1, e2); } 

指数関数的成長。 実際の関数のいくつかの合理的な量のパラメーターを処理する必要があるときに、どれだけの楽しみがもたらされるか想像できます。 さらに悪いことに、C ++ 11は右辺値リンクを追加しますが、これもラッパー関数で考慮する必要があり、これは明らかに拡張可能なソリューションではありません。

右辺値リンクのリンク圧縮と特別な型推論

C ++ 11で完全な転送がどのように実装されるかを説明するには、まずこのプログラミング言語に追加された2つの新しいルールを理解する必要があります。
簡単なものから始めましょう-リンクの崩壊。 ご存知のように、C ++でのリンクへのリンクの取得は許可されていませんが、テンプレートが実装されている場合にこれが発生することがあります。

 template <typename T> void baz(T t) { T& k = t; } 

この関数を次のように呼び出すとどうなりますか？

 int ii = 4; baz<int&>(ii); 

テンプレートをインスタンス化するとき、Tはint＆に設定されます。 関数内の変数kはどの型になりますか？ コンパイラーはint＆＆を「参照」しますが、これは禁止された構造であるため、コンパイラーはこれを通常のリンクに変換するだけです。 実際、C ++ 11以前では、この動作は標準化されていませんでしたが、多くのコンパイラはメタプログラミングでよく見られるため、そのようなコードを受け入れて変換しました。 C ++ 11で右辺値リンクが追加された後、さまざまなタイプのリンクを組み合わせるときの動作を決定することが重要になりました（たとえば、int &&＆??の意味）。
そこで、リンク圧縮のルールが登場しました。 このルールは非常に単純です-1つのアンパサンド（＆）が常に優先されます。 したがって-（＆と＆）は（＆）、（&&と＆）、および（＆と&&）です。 圧縮の結果が（&&）になるのは（&&および&&）のみです。 このルールは、＆が1で&&が0の論理OR結果と比較できます。
このトピックに直接関連するもう1つのC ++の追加は、さまざまな場合の右辺値リンクの特別な型の推論規則です[1]。 テンプレート関数の例を考えてみましょう。

 template <class T> void func(T&& t) { } 

二重アンパサンドにだまされないでください。ここではtは右辺値参照ではありません[2]。 この状況で表示される場合（特別な型推論が必要な場合）、T &&は特別な意味を持ちます-funcがインスタンス化されると、Tは渡される型に応じて変化します。 タイプUの左辺値が渡された場合、TはU＆になります。 Uが右辺値の場合、TはちょうどUになります。例：

 func(4); // 4  rvalue: T  int double d = 3.14; func(d); // d  lvalue; T  double& float f() {...} func(f()); // f()  rvalue; T  float int bar(int i) { func(i); // i  lvalue; T  int& } 

この規則は珍しく、奇妙にさえ思えるかもしれません。 そうです。 しかし、それにもかかわらず、このルールが完全な送信の問題を解決するのに役立つことを理解することになると、このルールは非常に明白になります。

std :: forwardを使用して完全な転送を実装する

次に、上記のラッパーテンプレート関数に戻りましょう。 C ++ 11を使用して実装する方法は次のとおりです。

 template <typename T1, typename T2> void wrapper(T1&& e1, T2&& e2) { func(forward<T1>(e1), forward<T2>(e2)); } 

そして、ここに[3]がどのように実装されているかを示します。

 template<class T> T&& forward(typename std::remove_reference<T>::type& t) noexcept { return static_cast<T&&>(t); } 

次の呼び出しを検討してください。

 int ii ...; float ff ...; wrapper(ii, ff); 

最初の引数（2番目も同様）を考えてみましょう：iiは左辺値であるため、T1は特別な型推論の規則に従ってint＆になります。 結果はfuncの呼び出しです（forward <int＆>（e1）、...）。 したがって、フォワードパターンはint＆型によってインスタンス化され、この関数の次のバージョンを取得します。

 int& && forward(int& t) noexcept { return static_cast<int& &&>(t); } 

リンク圧縮ルールを適用する時間：

 int& forward(int& t) noexcept { return static_cast<int&>(t); } 

言い換えれば、引数は、左辺値の要求に応じて、参照によってfuncに渡されます。
次の例：

 wrapper(42, 3.14f); 

ここで、引数は右辺値であるため、T1はintになります。 funcを呼び出します（forward（e1）、...）。 したがって、フォワードテンプレート関数はint型によってインスタンス化され、次のバージョンの関数を取得します。

 int&& forward(int& t) noexcept { return static_cast<int&&>(t); } 

参照によって取得された引数は、右辺値参照に変換されます。これは、前方から受け取るために必要なものです。
Tが入力引数のタイプ（左辺値または右辺値）に応じて値U＆またはU &&をとることができる場合、forwardテンプレート関数はstatic_cast <T &&>（t）の一種のラッパーと見なすことができます。 ラッパーは、引数タイプの任意の組み合わせを処理する1つのテンプレートです。
フォワードテンプレート関数は、C ++ 11のstd名前空間のヘッダーファイル「ユーティリティ」に実装されています。

別の注意点：std :: remove_referenceを使用します。 実際、この関数を使用せずにforwardを実装できます。 リンク圧縮はすべての作業を行うので、std :: remove_referenceを使用することはこのために冗長です。 ただし、この関数を使用すると、このタイプを推測できない状況（C ++標準14.8.2.5による）でT＆tを出力できるため、std :: forwardを呼び出すときにテンプレートパラメーターを明示的に指定する必要があります。

ユニバーサルリンク

彼のスピーチ、ブログ投稿、および本の中で、Scott Myersは、型推論のコンテキストにある右辺値リンクに「ユニバーサルリファレンス」という名前を付けています。 この名前が成功したかどうかを言うのは難しいです。 私に関しては、新しい本、Effective C ++からこのトピックに関する章を初めて読んだとき、混乱しました。 多かれ少なかれ、基礎となるメカニズム（リンク圧縮と特別な型推論規則）を理解したときに、すべてが明らかになりました。
キャッチは、「普遍的な参照」[4]というフレーズは、「型推論の文脈における右辺値リンク」よりも確かに簡潔で美しいということです。 ただし、コードを本当に理解したい場合は、完全な説明を避けることはできません。

完全な伝送の例

完全な伝送は、より高いレベルでのプログラミングを可能にするため、非常に便利です。 高階関数は、他の関数を引数として使用したり、それらを返すことができる関数です。 完全なパスがないと、ラッパー関数内の関数に引数を渡す便利な方法がないため、高次関数を適用することは非常に負担になります。 ここでの「関数」という用語は、関数自体に加えて、コンストラクターが実際には関数でもあるクラスも意味します。
この記事の冒頭で、emplace_backコンテナーメソッドについて説明しました。 別の良い例は、 前の記事で説明した標準テンプレート関数make_uniqueです。

 template<typename T, typename... Args> unique_ptr<T> make_unique(Args&&... args) { return unique_ptr<T>(new T(std::forward<Args>(args)...)); } 

その記事では、奇妙な二重アンパサンドを単に無視し、可変数のテンプレート引数に焦点を合わせたことを正直に認めています。 しかし、今ではコードを完全に理解するのは完全に簡単です。 言うまでもなく、理想的なパスと可変数の引数を持つテンプレートは非常に頻繁に一緒に使用されます。ほとんどの場合、これらの引数を渡す関数またはコンストラクターがいくつの引数を受け入れるかわからないからです。
理想的な転送をはるかに複雑に使用した例として、std :: bindの実装を見ることができます。

ソースへの参照

素材の準備で私を大いに助けたいくつかの情報源は次のとおりです。

1. Bjarne Stroustrupによる「The C ++ Programming Language」の第4版
2. Scott Myersによる新しい「Effective Modern C ++」。 この本では、「ユニバーサルリンク」について詳しく説明しています。 実際、この本の5分の1以上がこのトピックに当てられています。
3. テクニカルペーパーn1385 ：「転送の問題：引数。」
4. Thomas Becker C ++ Rvalueのリファレンスの説明 -優れた記述と非常に有用な記事

注：
[1] autoおよびdecltypeも使用できます。ここでは、テンプレートを使用する場合のみを説明します。
[2]右辺値リンク（オーバーロード&&）の表記法を選択しないというC ++標準化委員会の決定が失敗したと考えます。 スコット・マイヤーズは彼のスピーチの中で認めた（そして彼のブログに少しコメントした）3年後、この資料はまだ学ぶのが簡単ではないことを認めた。 そして、「The C ++ Programming Language」の第4版のBjörnStraustrupは、std :: forwardを説明するときに、テンプレート引数の明示的な指示を忘れていました。 これは確かにかなり難しい領域であると結論付けることができます。
[3]これは、STL C ++ 11から転送されたstd ::の簡易バージョンです。 右辺値引数のために明示的にオーバーロードされた追加バージョンがまだあります。 私はまだそれが必要な理由を解明しようとしています。 何かアイデアがあれば教えてください。
[4]転送参照は、私が出くわした別の指定です。

翻訳者から：CppCon2014では、多くの人（マイヤーズ、ストラウストルプ、サファーを含む）が、 ユニバーサル参照ではなく転送参照という用語を使用することにしました。

このトピックに関するhabrに関する記事：
右辺値リンクの簡単な紹介
C ++ 11またはT &&の「ユニバーサル」参照は、必ずしも「右辺値参照」を意味するわけではありません