戻り値のdecltype(auto)について、ユニバーサル参照について

Question

以下のようなコードを書きました。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <functional>
#include <algorithm>
#include <tuple>
#include <type_traits>

template <typename T>
decltype(auto) ret(T&& val) {
    return val;
}

template <typename T>
auto cout_check(T& val) {
    std::cout << "左辺値" << std::endl;
}

template <typename T>
auto cout_check(T&& val) {
    std::cout << "左辺値" << std::endl;
}


int main()
{
    // T から T&&に変換できないとは？
    int i = 0;
    cout_check(ret(i));
    cout_check(ret(0));
}

T から T&&に変換できないというエラーが出ました。
僕の予想だと、T&&でユニバーサル参照としてどちら右辺値左辺値どちらも対応が可能で、decltype(auto)によりそれぞれの参照が返され、
"左辺値"
"右辺値"
と出力されると思っていました。

また、これも疑問なのですが、
auto cout_check(T&& val)と書いた場合、この場合、右辺値を引数とすることを考えているのですが、
ユニバーサル参照と右辺値参照は文法が同じ？ため、どちらでも参照できてしまう関数になってしまうかと思います。

明示的に左辺値参照での引数受け取り、右辺値参照での引数受け取りをしたい場合はこの書き方(cout_checkのような)でいいのでしょうか。

Answer 1

まあそもそもcout_checkの中身両方左辺値って書いてますやん、というツッコミはさておき本題へ。

端的に言うと、retのreturn文をreturn std::forward<T>(val);にすれば通ります。

C++でもっともお手軽に型を確認する手段である、[[deprecated]] attributeをつけて確認してみましょう。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <functional>
#include <algorithm>
#include <tuple>
#include <type_traits>

template <typename T>
[[deprecated]] decltype(auto) ret(T&& val) {
    return std::forward<T>(val);
    //return val;
}

template <typename T>
auto cout_check(T&) {
    std::cout << "左辺値" << std::endl;
}

template <typename T>
auto cout_check(T&&) {
    std::cout << "右辺値" << std::endl;
}
int f() { return 3; }

int main()
{
    // T から T&&に変換できないとは？
    int i = 0;
    cout_check(ret(i));
    cout_check(ret(0));
    cout_check(ret(f()));
}

https://wandbox.org/permlink/2bW402AZYXRdO3Qt

prog.cc:29:16: warning: 'ret<int &>' is deprecated [-Wdeprecated-declarations]
    cout_check(ret(i));
               ^
prog.cc:9:3: note: 'ret<int &>' has been explicitly marked deprecated here
[[deprecated]] decltype(auto) ret(T&& val) {
  ^
prog.cc:30:16: warning: 'ret<int>' is deprecated [-Wdeprecated-declarations]
    cout_check(ret(0));
               ^
prog.cc:9:3: note: 'ret<int>' has been explicitly marked deprecated here
[[deprecated]] decltype(auto) ret(T&& val) {
  ^
prog.cc:31:16: warning: 'ret<int>' is deprecated [-Wdeprecated-declarations]
    cout_check(ret(f()));
               ^
prog.cc:9:3: note: 'ret<int>' has been explicitly marked deprecated here
[[deprecated]] decltype(auto) ret(T&& val) {
  ^
3 warnings generated.

左辺値
右辺値
右辺値

retにlvalueを渡したときは確かに引数の型はint&になっていて、rvalueを渡したときはint&&になっていることが確認できます。

じゃあなぜだめだったのか？もっとシンプルなコードを見ていきましょう。

#include <type_traits>
int main()
{
    int&& r = 3;
    static_assert(std::is_same_v<decltype(r), int&&>);
    decltype(auto) aa = r;
}

https://wandbox.org/permlink/dNlWQiBpA0v6UxcJ

prog.cc:6:20: error: rvalue reference to type 'int' cannot bind to lvalue of type 'int'
    decltype(auto) aa = r;
                   ^    ~
1 error generated.

つまりどういうことかと言うと、int&&型の変数はlvalueだと言うことです。

ではstd::forwardが入るとどうなるのか？std::forwardはstatic_cast<T&&>(t)を返すのでした。

rvalue referenceへのキャスト式の評価結果はrvalueであり、rvalue referenceを返す関数の呼び出しの評価結果はrvalueであることを利用します。

順を追ってコードを書き換えていきましょう。

#include <type_traits>
int main()
{
    int&& r = 3;
    static_assert(std::is_same_v<decltype(r), int&&>);
    [[maybe_unused]] decltype(auto) aa = static_cast<int&&>(r);
}

https://wandbox.org/permlink/vTpYLaRos85YbmOm

このようにするとコンパイルが通ります。なぜならばrvalue referenceへのキャスト式の評価結果はrvalueだからです。

#include <type_traits>
#include <utility>
int main()
{
    int&& r = 3;
    static_assert(std::is_same_v<decltype(r), int&&>);
    [[maybe_unused]] decltype(auto) aa = std::forward<int>(r);
}

https://wandbox.org/permlink/9NQcbjeMBFkf3rLY

このコードもコンパイルが通ります。なぜならばrvalue referenceを返す関数の呼び出しの評価結果はrvalueだからです。

もっと全体的に知りたい場合は
みんなlvalueとrvalueを難しく考えすぎちゃいないかい？ - Qiita
をどうぞ。

Comments

[__ook]

あっ、コンパイルすら通っておらず気づいてませんでしたね…ありがとうございます。
完全転送しないとだめなのですね。記事再度拝見します。ありがとうございます。

Answer 2

間違いやすくて重要なことなんですが右辺値参照は左辺値です。 なのでこの場合には decltype(auto) は int& と推論されます。

右辺値参照・左辺値参照の振り分けを伝播させるために std::forward があるのでこれを用いてください。

cout_check についてはそのようなやり方で問題ありません。

ただ、左辺値参照・右辺値参照の振り分けが質問者の意図通りにはならないにせよエラーになるのはおかしいですね。 コンパイラのバグかもしれません。

Comments

[yumetodo]

いや、単にそもそもcout_checkの中身両方左辺値って書いてるせいだと思います。

[SaitoAtsushi]

いや Visual Studio ではコンパイルエラーになるんですよ。

[yumetodo]

えっ、通りますよ？
https://godbolt.org/z/jYSChM

[SaitoAtsushi]

質問者が書いている通りのコードであればという話ですよ。
振り分けが上手くいかないにしてもコンパイルエラーになるのはおかしいでしょうと言っています。

[yumetodo]

error C2440: 'return': cannot convert from 'T' to 'T &&'
のことだと思いますが、
https://godbolt.org/z/WDkLLx
どちらかと言うともとのコードに-Wall -Wextra -pedanticつけても何も言わないgccのほうがおかしくないですか？
lvalueをrvalue referenceが束縛できたらおかしいじゃないですか。

[__ook]

回答ありがとうございます。
振り分けができないにしろコンパイルエラーなのは右辺値参照へのキャストができないから、でしょうか…？
完全転送すると問題なく動作しました。ありがとうございます。

[SaitoAtsushi]

束縛できるのはおかしいという点には同意しますが、 decltype(auto) での推論結果に差があり私は gcc の推論の方が正しいと思っていたのでそこに齟齬があるようです。
右辺が右辺値参照だった場合に gcc では decltype(auto) が左辺値参照になりますが clang や vs では右辺値参照になっています。
これは gcc の方が間違いですかね？

[yumetodo]

なるほど、それはちょっとじっくり検討してみます。

[yumetodo]

https://timsong-cpp.github.io/cppwp/n4140/dcl.spec.auto#7
より、関数の戻り値におけるdecltype(auto)指定は単にreturn文をdecltypeで評価したものであり、例えば()で囲われてから評価されたりはしません(decltype(val)であってdecltype((val))ではない)。
valはan unparenthesized id-expressionに該当しますから
https://timsong-cpp.github.io/cppwp/n4140/dcl.type.simple#4.1
のルールが適用され、int&&となるのが正しいと考えられます。

つまり、やはりGCCのバグでいいと思います。

バグレポは出ているのですがずっと放置されてます。
https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=64892

[yumetodo]

ref:
- https://stackoverflow.com/questions/53358751/gccs-decltypeauto-doesnt-conform-to-the-standard/53358911#53358911
- https://stackoverflow.com/questions/53717911/why-does-decltypeauto-not-work-as-expected