Item 27: Familiarize yourself with alternatives to overloading on universal references.
Effective Modern C++ Item 27 的学习和解读。
在 Item26 中建议大家尽量不要对万能引用进行重载，但同时也确实存在需要对万能引用进行重载的场景。今天就和大家探索下如何满足这种场景的需求，这个 Item 将沿用上个 Item的例子，阅读本文前建议先看上一个 Item。
放弃重载
对于 Item26 中 logAndAdd 函数，为了避免万能引用实例化匹配产生的问题，一种方式就是不使用重载，取而代之的是给这些重载函数起不同的名字。
logAndAddName(...)
logAndAddNameByIdx(...)
这种方法虽然在一定程度上可以解决这个问题，但是对于构造函数，就无能为力了（构造函数函数名是固定的）。
const T& 传递
另一种选择是不采用万能引用传参（pass-by-universal-reference），使用 const T& 传参。这也是 Item26 开始就介绍的方法，但是它的缺点是效率不高。
值传递
直接选择传值，这种方式将在 Item41 中继续讨论，这里只介绍这种方法的使用：
class Person {
public:
explicit Person(std::string n) // replaces T&& ctor; see
: name(std::move(n)) {} // Item 41 for use of std::move
explicit Person(int idx) // as before
: name(nameFromIdx(idx)) {}
…
private:
std::string name;
};
std::string 的构造函数没有传 int 的版本，所有 int 类型和类似 int 类型（int，short，size_t，long）参数的传递给构造函数都将匹配到 int 类型重载构造函数。类似的，所有 std::string 类型和类似 std::string 类型（比如字面的"Ruth"）的参数传递给构造函数都将匹配到 std::string 类型重载构造函数。
使用 Tag 分发
const T& 传递和值传递都不支持完美转发。如果使用万能引用的动机是为了完美转发，那还必须只能使用万能引用，并且那你也不想放弃重载，这里介绍一种使用 Tag 分发的方法。
基于 Tag 分发其实就是使用 Tag 对参数进行区分，进而分发到不同的函数实现。对于上个 Item 中的例子：
std::multiset<std::string> names; // global data structure
template<typename T> // make log entry and add
void logAndAdd(T&& name) // name to data structure
{
auto now = std::chrono::system_clock::now();
log(now, "logAndAdd");
names.emplace(std::forward<T>(name));
}
使用 Tag 分发的实现如下：
template<typename T>
void logAndAddImpl(T&& name, std::false_type)
{
auto now = std::chrono::system_clock::now();
log(now, "logAndAdd");
names.emplace(std::forward<T>(name));
}
void logAndAddImpl(int idx, std::true_type)
{
logAndAdd(nameFromIdx(idx)); // up name and
}
template<typename T>
void logAndAdd(T&& name)
{
logAndAddImpl(
std::forward<T>(name),
std::is_integral<typename std::remove_reference<T>::type>()
);
}
C++11 引入的 std::is_integral<T> 可以判断参数类型是否为整形。在这个例子中，如果 logAndAdd 传入的是左值类型的 int，T将被推导成 int&，但不是 int，为了解决这个问题，使用 std::remove_reference 去除引用。
从概念上讲，logAndAdd 传递了一个布尔值给 logAndAddImpl，表示传递的实参是否为整形。但是我们知道 true 和 false 都是运行时的值，而模板匹配是编译阶段的事情。C++ 标准库提供了 std::true_type 和 std::false_type 两种类型代表 true 和 false 的含义。如果 T 是整形，那么 logAndAdd 传递给 logAndAddImpl 的参数是一个继承了 std::true_type 的对象，否则是一个继承了std::false_type 的对象。
约束接受万能引用的模板
使用 Tag 分发的技术，是在通用引用参数函数内部根据参数类型进行分发，它解决不了 Item26 中介绍的 Person 完美转发构造函数的问题。如果你在一个构造函数内部实现 Tag 分发，但是编译器在一些情况下会自动生成构造函数，将会绕过使用 Tag 分发的构造函数。
问题不在于编译器生成的构造函数会绕过使用 Tag 分发的完美转发构造函数，而是从来没有绕过。例如你想用一个左值的对象去初始化一个新的对象，你想调用的是编译器生成的拷贝构造函数，但是正如 Item26 介绍的那样，实际上调用完美转发的构造函数。
万能引用的匹配重载函数总是贪婪的，我们需要另外一种技术控制万能引用调用的条件，那就是 std::enable_if。
默认条件下，所有模板都是 enable 的，当使用了 std::enable_if 后，只有满足条件的模板才是 enable 的。语法规则是这样的：
class Person {
public:
template<typename T,
typename = typename std::enable_if<condition>::type>
explicit Person(T&& n);
.....
};
只有满足了 condition 条件才使能。我们期望不是 Person 类型的参数，模板构造函数才使能，当然我们可以使用 is_same 来判断类型是否相同，因而我们的条件可能是 !std::is_same<Person, T>::value。但是这里会有点小问题，比如 Person 和 Person& 不是一个类型，而我们这里显然不希望 Person& 类型满足条件进而使能模板。
- 对于引用。我们期望 Person& 和 Person&& 都像 Person 一样处理，即不使能模板。
- 对于 const 和 volatile，即 CV 描述符。我们期望 const Person、volatile Person 和 volatile const Person 也能像 Person 一样处理，即不使能模板。
标准库为我们提供了 std::decay，std::decay<T>::type 的类型 和 T 的类型相同，它忽略了引用和 CV 描述符。因此我们想控制模板使能的条件是：
!std::is_same<Person, typename std::decay<T>::type>::value
这样就可以得到我们想要的实现：
class Person {
public:
template<
typename T,
typename = typename std::enable_if<
!std::is_same<Person,
typename std::decay<T>::type
>::value
>::type
>
explicit Person(T&& n);
…
};
再看 Item26 中万能引用重载在遇到类继承的问题：
class SpecialPerson: public Person {
public:
SpecialPerson(const SpecialPerson& rhs) // copy ctor; calls
: Person(rhs) // base class
{ … } // forwarding ctor!
SpecialPerson(SpecialPerson&& rhs) // move ctor; calls
: Person(std::move(rhs)) // base class
{ … } // forwarding ctor!
};
当我们拷贝或移动一个 SpecialPerson 对象，我们期望调用基类的拷贝或移动构造函数，但是我们传递给基类的是 SpecialPerson 类型的参数，会匹配到基类的完美转发构造函数。
标准库 type trait 提供了 std::is_base_of 帮我们解决这个问题。如果 T2 继承于 T1，那么 std::is_base_of<T1, T2>::value 为 true，并且 std::is_base_of<T, T>::value 也是 true。上面的代码使用 std::is_base_of 代替 is_same 得到的代码将更加合适：
class Person {
public:
template<
typename T,
typename = typename std::enable_if<
!std::is_base_of<Person,
typename std::decay<T>::type
>::value
>::type
>
explicit Person(T&& n);
…
};
如果使用 C++14 实现将更加简洁：
class Person {
public:
template<
typename T,
typename = typename std::enable_if_t<
!std::is_base_of<Person,
std::decay_t<T>::type
>::value
>
>
explicit Person(T&& n);
…
};
到目前为止，我们已经接近了完美解决了 Item26 中介绍的万能引用模板重载的问题。再加上处理整数参数类型的 Person 的重载，我们汇总代码如下：
class Person {
public:
template<
typename T,
typename = std::enable_if_t<
!std::is_base_of<Person, std::decay_t<T>>::value
&&
!std::is_integral<std::remove_reference_t<T>>::value
>
>
explicit Person(T&& n) // ctor for std::strings and
: name(std::forward<T>(n)) // args convertible to
{ … } // std::strings
explicit Person(int idx) // ctor for integral args
: name(nameFromIdx(idx))
{ … }
… // copy and move ctors, etc.
private:
std::string name;
};
权衡
本 Item 介绍的后两种技术：使用 Tag 分发和限制模板使能条件，都支持了完美转发。但使用完美转发也有缺点：
一个是有些类型不能完美转发，这个将在 Item30 中讨论。另外一个是当用户传递无效参数时，编译报错信息的可读性非常差。
例如，在创建 Person 对象的时候传递了个char16_t（C++11引进的一种以16位表示一个字符的类型）字符组成的字符串，而不是char：
Person p(u"Konrad Zuse"); // "Konrad Zuse" consists of characters of type const char16_t
当使用本 Item 的前三种技术时，编译器看到可执行的构造函数只接受 int 和 std::string，编译器会产生一些直观的错误信息表明：无法将 const char16_t[12] 转换到 int 或 std::string。
万能引用在接受 char16_t 类型时候没有问题，当构造函数把 char16_t 类型数组转发到 std::string 成员变量的构造中时，才发现 char16_t 数组不是 std::string 可接受的参数类型，我使用 g++ 的报错信息如下：
hello.cpp: In instantiation of ‘Person::Person(T&&) [with T = const char16_t (&)[12]; <template-parameter-1-2> = void]’:
hello.cpp:30:26: required from here
hello.cpp:18:28: error: no matching function for call to ‘std::__cxx11::basic_string<char>::basic_string(const char16_t [12])’
: name(std::forward<T>(n)) // args convertible to
^
In file included from /usr/include/c++/7/string:52:0,
from /usr/include/c++/7/bits/locale_classes.h:40,
from /usr/include/c++/7/bits/ios_base.h:41,
from /usr/include/c++/7/ios:42,
from /usr/include/c++/7/ostream:38,
from /usr/include/c++/7/iostream:39,
from hello.cpp:1:
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:604:9: note: candidate: template<class _InputIterator, class> std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(_InputIterator, _InputIterator, const _Alloc&)
basic_string(_InputIterator __beg, _InputIterator __end,
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:604:9: note: template argument deduction/substitution failed:
hello.cpp:18:28: note: candidate expects 3 arguments, 1 provided
: name(std::forward<T>(n)) // args convertible to
^
In file included from /usr/include/c++/7/string:52:0,
from /usr/include/c++/7/bits/locale_classes.h:40,
from /usr/include/c++/7/bits/ios_base.h:41,
from /usr/include/c++/7/ios:42,
from /usr/include/c++/7/ostream:38,
from /usr/include/c++/7/iostream:39,
from hello.cpp:1:
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:566:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>&&, const _Alloc&) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>]
basic_string(basic_string&& __str, const _Alloc& __a)
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:566:7: note: candidate expects 2 arguments, 1 provided
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:562:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(const std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>&, const _Alloc&) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>]
basic_string(const basic_string& __str, const _Alloc& __a)
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:562:7: note: candidate expects 2 arguments, 1 provided
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:558:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(std::initializer_list<_Tp>, const _Alloc&) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>]
basic_string(initializer_list<_CharT> __l, const _Alloc& __a = _Alloc())
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:558:7: note: no known conversion for argument 1 from ‘const char16_t [12]’ to
std::initializer_list<char>’
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:531:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>&&) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>]
basic_string(basic_string&& __str) noexcept
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:531:7: note: no known conversion for argument 1 from ‘const char16_t [12]’ to
std::__cxx11::basic_string<char>&&’
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:519:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type, _CharT, const _Alloc&) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>; std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type = long unsigned int]
basic_string(size_type __n, _CharT __c, const _Alloc& __a = _Alloc())
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:519:7: note: candidate expects 3 arguments, 1 provided
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:509:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(const _CharT*, const _Alloc&) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>]
basic_string(const _CharT* __s, const _Alloc& __a = _Alloc())
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:509:7: note: no known conversion for argument 1 from ‘const char16_t [12]’ to
const char*’
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:499:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(const _CharT*, std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type, const _Alloc&) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>; std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type = long unsigned int]
basic_string(const _CharT* __s, size_type __n,
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:499:7: note: candidate expects 3 arguments, 1 provided
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:481:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(const std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>&, std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type, std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type, const _Alloc&) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>; std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type = long unsigned int]
basic_string(const basic_string& __str, size_type __pos,
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:481:7: note: candidate expects 4 arguments, 1 provided
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:465:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(const std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>&, std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type, std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>; std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type = long unsigned int]
basic_string(const basic_string& __str, size_type __pos,
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:465:7: note: candidate expects 3 arguments, 1 provided
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:450:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(const std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>&, std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type, const _Alloc&) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>; std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type = long unsigned int]
basic_string(const basic_string& __str, size_type __pos,
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:450:7: note: candidate expects 3 arguments, 1 provided
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:437:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(const std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>&) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>]
basic_string(const basic_string& __str)
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:437:7: note: no known conversion for argument 1 from ‘const char16_t [12]’ to
const std::__cxx11::basic_string<char>&’
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:429:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(const _Alloc&) [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>]
basic_string(const _Alloc& __a) _GLIBCXX_NOEXCEPT
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:429:7: note: no known conversion for argument 1 from ‘const char16_t [12]’ to
const std::allocator<char>&’
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:420:7: note: candidate: std::__cxx11::basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string() [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>; _Alloc = std::allocator<char>]
basic_string()
^~~~~~~~~~~~
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:420:7: note: candidate expects 0 arguments, 1 provided
如果完美转发多次，错误信息将更加迷惑。std::is_constructible 可以在编译期间测试一个类型的对象是否能被另一个不同类型（或一些不同类型）的对象（或者另一些对象）构造，我们可以使用 static_assert 断言来实现：
class Person {
public:
template<
typename T,
typename = std::enable_if_t<
!std::is_base_of<Person, std::decay_t<T>>::value
&&
!std::is_integral<std::remove_reference_t<T>>::value
>
>
explicit Person(T&& n) // ctor for std::strings and
: name(std::forward<T>(n)) // args convertible to std::strings
{
// assert that a std::string can be created from a T object
static_assert(
std::is_constructible<std::string, T>::value,
"Parameter n can't be used to construct a std::string"
);
…
}
explicit Person(int idx) // ctor for integral args
: name(nameFromIdx(idx))
{ … }
… // copy and move ctors, etc.
private:
std::string name;
};
g++ 编译报错如下：
// ...... 此处省略
/usr/include/c++/7/bits/basic_string.h:420:7: note: candidate expects 0 arguments, 1 provided
hello.cpp:20:6: error: static assertion failed: Parameter n can't be used to construct a std::string
static_assert(
^~~~~~~~~~~~~
至此，我们我们已经完美解决了 Item26 中介绍的万能引用模板重载的问题。
