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Item 28 - reference collapsing

마지막 수정 시각: 2020-10-26 22:03:12

universal reference에서 어떻게 타입 T로부터 넘어온 인자가 lvalue인지 rvalue인지 알 수 있을까? 이제 드디어 그에 관한 이야기를 할 차례다.

template<typename T>
void func(T&& param);

원리는 간단하다. 만약 인자로 lvalue가 넘어온다면 T는 lvalue reference로 추론되고, rvalue가 넘어온다면 T는 레퍼런스가 아닌 타입(값 타입)으로 추론된다. 따라서,

Widget widgetFactory();

Widget w;

func(w); //T는 Widget&

func(widgetFactory()); // T는 Widget

그런데 뭔가 이상하다. 여기서 T가 각각 Widget&, Widget으로 추론된다고 했는데, 그럼 그걸 코드로 나타내면 아래와 같은 형태가 될 것이다.

void func(Widget& && param);
void func(Widget && param);

두번째건 말이 되지만 첫번째건 말이 안된다. 왜냐하면, C++은 기본적으로 레퍼런스에 대한 레퍼런스를 허용하지 않기 때문이다. 이런 레퍼런스에 대한 레퍼런스를 우리가 직접 작성하는 건 컴파일 에러가 되지만 몇몇 특수한 상황에서는 그게 용납이 된다. 위에서 본 universal reference같은 경우가 그 예인데, 위 경우 void func(Widget& && param);이 void func(Widget& param);이 된다는 걸 이미 앞선 아이템들에서 확인했다.

이런 몇몇 특수한 상황에서 컴파일러는 레퍼런스에 대한 레퍼런스가 발생했을 때 reference collapsing이라는 특정한 규칙에 의해 그냥 레퍼런스로 만들어버린다. 레퍼런스는 lvalue, rvalue의 2가지가 있으니 종합하면 총 4가지 케이스가 있을 수 있다. 거기에 대해 컴파일러는 아래 규칙에 따라 레퍼런스를 붕괴시킨다(collapse).

간단하다. 즉 아래처럼 되는 것이다.

T& & = T&
T& && = T&
T&& & = T&
T&& && = T&&

std::forward 원리

std::forward는 바로 이 규칙을 이용하여 넘어온 인자가 lvalue인지 rvalue인지를 알아낸다.

template<typename T>
T&& forward(remove_reference_t<T>& param)
{
    return static_cast<T&&>(param);
}

std::forward의 간략한 구현이다. 이제 아래 코드를 바탕으로 forward의 동작 원리를 알아보자.

template<typename T>
void f(T&& fParam)
{
    ...
    someFunc(std::forward<T>(fParam));
}

여기서, 함수 f의 인자로 Widget타입의 lvalue가 넘어왔다고 하자. 그러면 타입 T는 Widget&으로 추론될 것이다. 그리고, std::forward는 std::forward<Widget&>의 형태로 인스턴스화되어 호출된다.

Widget& && forward(remove_reference_t<Widget&>& param)
{
    return static_cast<Widget& &&>(param);
}

remove_reference_t<Widget&>은 Widget이므로,

Widget& && forward(Widget& param)
{
    return static_cast<Widget& &&>(param);
}

여기서 다시 앞에서 언급한 reference collapsing 규칙에 의해,

Widget& forward(Widget& param)
{
    return static_cast<Widget&>(param);
}

결국 lvalue가 넘어왔을 경우 lvalue refernce로 캐스팅해서 돌려주게되므로 의도한 동작을 수행하게 된다. 이제 rvalue가 인자로 넘어간 상황을 생각해보자. rvalue가 인자로 넘어가면 타입 T는 Widget으로 추론될 것이다.

Widget&& forward(remove_reference_t<Widget>& param)
{
    return static_cast<Widget&&>(param);
}

여기서 remove_reference_t<Widget>은 Widget 그대로이므로,

Widget&& forward(Widget& param)
{
    return static_cast<Widget&&>(param);
}

이때 함수의 리턴값으로 나온 rvalue reference는 rvalue로 취급하므로 std::forward는 자신의 역할을 완벽하게 수행하게 된다.

reference collapsing 발생 상황

reference collapsing, 그러니까 레퍼런스에 대한 레퍼런스를 그냥 레퍼런스로 만들어주는 상황은 총 4가지가 존재한다.

template instantiation

가장 흔한 케이스다. 템플릿을 인스턴스화 하는 과정에서 레퍼런스에 대한 레퍼런스가 나타나면 reference collapsing 규칙을 적용시킨다. forward 설명하면서 다뤘으니 생략.

auto 타입 추론

auto 키워드로부터 타입을 만들어낼 때도 reference collapsing 규칙이 적용된다. 기본적인 규칙은 template instantiation때와 똑같다.

Widget widgetFactory();
Widget w;

auto&& w1 = w;
auto&& w2 = widgetFactory();

위와 같은 구문이 있을 때, auto&&는 template때와 마찬가지 과정을 거친다(각각 Widget& && w1 -> Widget& w1, Widget&& w2).

여기까지 살펴봤으면 알겠지만, universal reference는 사실 그냥 rvalue reference다. 단, 아래 조건이 만족되는 경우 universal reference라고 부를 수 있는 것이다.

typedef 또는 alias declaration을 쓸 때

template<typename T>
class Widget
{
public:
    typedef T&& RvalueRefToT;
};

위와 같은 코드가 있을 때 Widget을 lvalue reference 타입을 이용해 인스턴스화한 경우,

Widget<int&> w;

typedef int& && RvalueRefToT; //Widget<int&>::RvalueRefToT

이런 식으로 reference에 대한 reference가 발생할 수 있다. 이 경우에도 reference collapsing이 적용된다.

decltype

decltype을 포함한 타입의 분석중에 레퍼런스에 대한 레퍼런스가 나타나면 reference collapsing이 발생한다.

int& func(int k);

decltype(func(3))& t; // decltype(func(3)) -> int&
                      // int& & -> int&
                      // int& t;