Effective Modern C++ #1 템플릿 형식 연역 규칙을 숙지해라.

형식연역 (Deducing Types)

형식 연역 (template)은 타입에 대한 수정이 소스코드의 전반적 수정으로 전파되는 것을 막아준다.

하지만 동시에, 개발자가 의도한 타입인지 예측하는 것은 어려워졌다.

1. 템플릿 형식 연역 규칙을 숙지해라.

auto 가 연역하는 방식과, C++98 에도 존재했던 템플릿이 연역하는 방식은 일치한다.

따라서 template 연역 규칙을 숙지한다면, auto 연역 규칙에도 동일하게 적용할 수 있다.

template <typename T>
void fn(ParamType a)

fn(expr);

위 예시에서`ParamType` 과 `T` 는 다를 수도 있다.

const, &, && 등 수식어가 ParamType 에 붙을 수 있기 때문이다.

 

템플릿 형식 연역 규칙은, ParamType 종류에 따라 3가지 케이스로 나뉜다.

1. ParamType 이 포인터나 참조이나, 보편 참조가 아니다.
2. ParamType 이 보편참조이다.
3. ParamType 이 포인터나 참조가 아니다.

 

1. ParamType 이 포인터나 참조이나, 보편 참조가 아니다

template <typename T>
void fn(T & param)

int i = 10;
const int ci = i;
const int & ri = i;

fn(i);	// T = int, param = int &
fn(ci); // T = const int, param = const int &

fn(ri); // T = const int, param = const int &

expr 에 들어오는 변수의 참조성은 무시된다.

 

2. ParamType 이 보편참조이다.

template <typename T>
void fn(T && param)

int i = 10;
const int ci = i;
const int & ri = i;

fn(i);	// T = int &, param = int &
fn(ci); // T = const int &, param = const int &

fn(ri); // T = const int &, param = const int &

fn(10); // T = int, param = int &&

expr 값이 l-value 인지 r-value 인지에 따라 연역 규칙이 상이하다.

• l-value 가 전달되는 경우, l-value reference 형태로 연역된다.
  • ex) T = int &, ParamType = int &
• r-value 가 전달되는 경우, r-value reference 형태로 연역된다
  • ex) T = int, ParamType = int &&

3. ParamType 이 포인터나 참조가 아니다.

template <typename T>
void fn(T param)

int i = 10;
const int ci = i;
const int &ri = i;

fn(i);	// T = int, param = int
fn(ci); // T = int, param = int

fn(ri); // T = int, param = int

값이 복사되는 케이스이므로, expr 에서의 참조, const는 무시된다. (volatile도 무시)

 

---

배열, 함수와 같은 특이한 인자의 케이스)

 

배열의 경우 첫번째 원소는 주소를 나타낸다.

expr 에 배열이 들어가면, template 연역 규칙에 따라 포인터로 변경된다.

함수도 마찬가지로, 함수 포인터로 변경된다.

 

 

3. decltype 작동 방식을 숙지하라.

decltype (declared type) 은 객체의 주어진 이름, 표현식 형태 등을 알려준다.

const int i = 5; // decltype(i) = const int

bool f(const Widget & w) // decltype(f) = bool(const Widget &), decltype(w) = const Widget &

 

또한 형식이 T 이고, 이름이 아닌 l-value 표현식에 대해서는 &T 형식으로 반환한다.

 

하지만 예상하지 못한 동작을 하는 케이스가 존재한다.

 

예를 들어, vector, deque 등 컨테이너의 operator[] 반환 형식은 컨테이너마다 다를 수 있다.

따라서 decltype을 사용하여, 이런 반환 형식을 일반화하는 예시를 확인해보자.

#include <iostream>
#include <vector>

template<typename Container, typename Index>
auto ret(Container & c, Index i) -> decltype(c[i]) {
    return c[i];
}

int main() {
    std::vector<int> v(5);
    ret(v, 2) = 5;
    std::cout << v[2] << std::endl;
}

함수의 반환 타입은 auto 이나, C++11 에서는 trailing return type 구문 (후행 반환 형식 / -> 뒤에 반환 형식 표현) 을 사용하지 않으면 컴파일 에러가 발생한다.

trailing return type 구문은 기존 return 구문과 다르게, 함수 인자로 들어오는 값을 사용하여 반환 형식을 지정할 수 있는 장점이 있다.

 

C++ 14 이상부터는 `-> decltype(c[i])` 와 같은 trailing return type 없이 `auto` 와 `return c[i];` 만으로 컴파일러가 반환 형식을 예측하게 할 수 있다.

따라서 auto 는 컴파일러가 '반환 형식을 알아서 예측' 하라는 역할만 하게 된다.

여기서 예상하지 못한 동작이 발생한다.

 

일단 위 코드에서 `-> decltype(c[i])` 를 제거한다.

컨테이너가 함수 인자로 전달되며, template 연역 과정에서 참조성은 사라지고 r-value 로 반환된다. (1. 템플릿 형식 연역 규칙을 숙지해라 참고)

따라서 `ret(v, 2) = 5;` 는 r-value 를 r-value 에 할당하게 되므로 컴파일 에러가 발생한다.

 

해결 방법은 `auto` 대신 `decltype(auto)` 를 사용하는 것이다.

• auto :  컴파일러가 '반환 형식을 알아서 예측' 하라
• decltype : 반환 형식을 추론할 때에는 decltype 규칙을 적용해라

이를 사용하면, l-value인 `v[2]` 를 그대로 반환할 수 있다.

 

함수에 l-value 가 아닌 r-value 를 인자로 넘기고 싶은 경우, `std::forward` 를 활용하고, 인자를 보편 참조 형태 (&&)로 변경하면 된다.

이렇게 코드를 수정하는 경우 l-value, r-value 에 모두 대응 가능하다.

// C++14 이하
template<typename Container, typename Index>
auto ret(Container && c, Index i) -> decltype(std::forward<Container>(c)[i]) {
    return std::forward<Container>(c)[i];
    
// C++14 이상
template<typename Container, typename Index>
decltype(auto) ret(Container && c, Index i) {
    return std::forward<Container>(c)[i];

 

하지만 decltype(auto) 마저도 예상하지 못한 동작을 하는 케이스가 있다.

예를 들어, l-value 를 () 괄호로 감싸는 경우 decltype 이 추론하는 형식이 달라진다.

int x = 0;

decltype(x); // int
decltype((x)); // int &

 

아래 예시는 () 와 같은 작성 습관에 따라 decltype(auto) 의 반환 추론이 달라져, 내부 변수 참조를 전달하는 문제 있는 코드이다.

#include <iostream>
#include <vector>

decltype(auto) ret() {
    int a = 5;
    return (a); // & int
}

int main() {
    std::cout << ret() << std::endl;
}