C++ での可変引数テンプレートの扱い方と右辺値参照、std::forward について教えてください

Question

C++17で printf のラッパーのようなものを書こうとしています。
cpprefjp の可変引数テンプレートのページを見ると以下のコードがありました。疑問点は2つです。

1. print() の引数が右辺値参照なのはなぜですか？　std::string などをコピーコストなしで扱いたいなら const 参照でよいのでは、と思いました。
2. print(std::forward<Args>(args)...) の部分はどういう意味ですか？　print(args...) と書くのと何が違いますか？

#include <iostream>
#include <utility>

// パラメータパックが空になったら終了
void print() {}

// ひとつ以上のパラメータを受け取るようにし、
// 可変引数を先頭とそれ以外に分割する
template <class Head, class... Tail>
void print(Head&& head, Tail&&... tail)
{
  std::cout << head << std::endl;

  // パラメータパックtailをさらにheadとtailに分割する
  print(std::forward<Tail>(tail)...);
}

int main()
{
  print(1, 'a', "hello");
}

上のコードを次のように書き換えたところ、コンパイルできて同じように実行もできているようです。この書き方ではダメな理由があるのでしょうか？

#include <iostream>
#include <utility>

// パラメータパックが空になったら終了
void print() {}

// ひとつ以上のパラメータを受け取るようにし、
// 可変引数を先頭とそれ以外に分割する
template <class Head, class... Tail>
void print(const Head& head, const Tail&... tail)
{
  std::cout << head << std::endl;

  // パラメータパックtailをさらにheadとtailに分割する
  print(tail...);
}

int main()
{
  print(1, 'a', "hello");
}

Comments

[fana]

詳しくないので回答として書けませんが，それば右辺値参照ではなくて「ユニバーサル参照」とかいうやつらしいです．
で，こいつが実際は右辺値参照か左辺値参照かわからんから(?)それをそのまま次に伝達するために forward しているんじゃないかと．

[fana]

ということは，print() の引数に右辺値（右辺値参照？　言葉がどうにも…）を使わないのであれば下側のコードで良い，とかいうことになるのかな？

[pdd]

ありがとうございます。ユニバーサル参照について調べてみます。

[pdd]

調べたところ、

・const 参照もユニバーサル参照も、左辺値と右辺値の両方を引数にとることができる
・とった引数を、std::string のコンストラクタのように左辺値か右辺値かで呼び分けるような関数の引数に渡すとき、ユニバーサル参照でかつ std::forward を用いると、右辺値参照は右辺値参照としてそのまま渡すことができる

ようです。
左辺値と右辺値で違う処理をする関数に渡す場合でなければ、const 参照で問題なさそう？　という理解をしました。

[ttact]

https://cpplover.blogspot.com/2009/11/rvalue-reference_23.html

「規格には特別なルールがあり、テンプレート引数を、rvalue referenceとして関数の引数に使った場合のargument deductionで、lvalueを渡すと、lvalue referenceとなるのである。」
「もし、これが出来ないとなると、プログラマは、わざわざ、lvalue referenceとrvalue referenceとで、似たようなコードを複数書かなければならなくなる。すべての組み合わせを網羅するには、膨大なオーバーロード関数が必要になる。」

ということで、全部constなlvalueで書ける内容であれば、わざわざuniversal referenceにする必要はないです。経験上、超汎用的なライブラリであればあるほどuniversal referenceにする要件は高まりますし、アプリケーションレイヤの具体的な機能に近づけば近づくほどその要件は低くなると感じます。

[pdd]

ありがとうございます。リンク先がとても参考になりました。

Answer 1

引数が右辺値参照なのはなぜですか？

この文脈では && は右辺値参照とは限りません。 右辺値参照で左辺値を受け取ると参照の折り畳みという現象が起こり、左辺値参照になります。 参照崩壊という訳語があてられることもあります。 また、言語仕様上の用語ではありませんが、このような参照のことを万能参照 (universal reference) という言葉で説明しているものが多いのでそういった言葉をキーワードにして調べてみればよいでしょう。

コピーコストなしで扱いたいなら const 参照でよいのでは

その通りです。 ここでは const 参照で問題ありません。

「パラメータパックを転送するような状況で必要となる」という但し書きが付いた説明なのでより一般的な場合の例として書いているだけだと思います。

print(std::forward<Args>(args)...) の部分はどういう意味ですか？ print(args...) と書くのと何が違いますか？

これは非常にわかり難いのですが右辺値参照は左辺値です。

つまり tail が右辺値参照だった場合に print に渡すと左辺値として渡すことになってしまいます。 左辺値参照なら左辺値として、右辺値参照なら右辺値として渡すためにキャストしてくれるのが std::forward の役目です。 tail が左辺値の可能性も右辺値の可能性もあるときに振り分けなおすのが用途なので普通はテンプレートの中にしか現れません。

Comments

[pdd]

ありがとうございます。
右辺値として扱って特別な処理をしたい場合（何かのムーブコンストラクタに渡すなど？）でなければ、ユニバーサル参照と std::forward を使う必要はないという理解で良いでしょうか。

[SaitoAtsushi]

あなたが考える特別な処理 (と特別でないものの区別) が何であるかわからないのでそれが正しいかどうか私にはわかりません。
・ 参照には左辺参照と右辺参照がある
・ その上で左辺参照と右辺参照を統一的に扱えるインターフェイスとして万能参照や std::forwad がある
ので、これが必要であれば使うべき場面ですし、そうでないなら使いません。

[pdd]

左辺値参照と右辺値参照を統一的に扱う例として、std::string のコンストラクタのような、左辺値か右辺値かによってコンパイラが呼び分けてくれる関数に渡すという状況を挙げたつもりでした。
右辺値参照を右辺値参照のまま扱いたいのでなければ使う必要はないと理解しました。