編譯器推導返回類型

討論 add() 函數模板的示例，讓編譯器推導返回值的類型確實是個好主意。然而，返回類型依賴于模板類型參數，那該如何實現呢？例如，考慮以下函數模板：

template <typename T1, typename T2>
RetType add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

在這個示例中，RetType 應該是表達式 t1 + t2 的類型，但你無法知道這一點，因為你不知道 T1 和 T2 是什么。

自動類型推導

自 C++14 起，你可以讓編譯器自動推導函數的返回類型。因此，你可以簡單地將 add() 寫成如下：

template <typename T1, typename T2>
auto add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

在 C++ 中，當使用 auto 關鍵字來推導函數返回值的類型時，它會自動去除表達式中的引用（reference）和 const 限定符。這意味著，如果函數的返回類型原本是一個引用或 const 類型，使用 auto 推導后，返回值將會失去這些屬性。例如，如果原本返回的是一個 const 引用，使用 auto 推導后，返回值將僅是一個值，而非引用，并且也不再是 const 類型。

對于某些函數來說，這種去除引用和 const 的行為是可以接受的。例如，在 add() 函數模板中，如果使用 auto，這通常沒問題，因為 operator+（加法運算符）一般返回一個新的對象，而不是引用或 const 對象。

然而，在其他一些情況下，可能需要保留函數返回值的原始屬性，比如其為引用或 const 類型。在這些情況下，簡單地使用 auto 來推導返回類型可能就不夠理想了。因此，需要使用其他方法（使用 decltype(auto) 的函數模板）來確保函數返回值的原始屬性被正確保留。

auto 與 decltype 的區別

考慮以下非模板示例，了解 auto 和 decltype 之間的差異：

const std::string message { "Test" };
const std::string& getString() { return message; }

auto s1 { getString() }; // s1 是 string 類型，進行了拷貝
const auto& s2 { getString() }; // s2 是對常量的引用
decltype(getString()) s3 { getString() }; // s3 是 const string& 類型
decltype(auto) s4 { getString() }; // s4 也是 const string& 類型

使用 decltype(auto) 的函數模板

有了這些知識，我們可以使用 decltype(auto) 來編寫我們的 add() 函數模板，以避免去除任何 const 和引用限定符：

template <typename T1, typename T2>
decltype(auto) add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

C++14 之前的方法

在 C++14 之前，也就是在函數返回類型推導和 decltype(auto) 得到支持之前，問題是通過使用 decltype(expression) 來解決的，這是 C++11 引入的。例如，你可能會寫出以下代碼：

template <typename T1, typename T2>
decltype(t1 + t2) add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

然而，這是錯誤的。你在原型行的開頭使用了 t1 和 t2，但這些參數還未知。t1 和 t2 在到達參數列表末尾時才變得已知。

這個問題曾經通過替代函數語法解決。注意，在這種語法中，auto 用于原型行的開頭，而實際的返回類型在參數列表之后指定（尾隨返回類型）；因此，參數的

名稱（以及它們的類型，從而 t1 + t2 的類型）是已知的：

template<typename T1, typename T2>
auto add(const T1& t1, const T2& t2) -> decltype(t1 + t2) {
    return t1 + t2;
}

注意：現在 C++ 支持 auto 返回類型推導和 decltype(auto)，建議使用這些機制，而不是替代函數語法。

C++20 的新特性

C++20 引入了一種簡化的函數模板語法。再次回顧前面的 add() 函數模板。這里是推薦的版本：

template <typename T1, typename T2>
decltype(auto) add(const T1& t1, const T2& t2) {
    return t1 + t2;
}

看這個示例，為了指定一個簡單的函數模板，語法顯得相當冗長。使用簡化的函數模板語法，可以更優雅地寫成如下：

decltype(auto) add(const auto& t1, const auto& t2) {
    return t1 + t2;
}

使用這種語法，不再需要 template<> 規范來指定模板參數。相反，以前在實現中使用的 T1 和 T2 類型現在被指定為 auto。這種簡化的語法只是語法糖；編譯器會自動將這種簡化實現轉換為更長的原始代碼。基本上，每個被指定為 auto 的函數參數都成為一個模板類型參數。

需要注意的兩個問題

(1) 不同的模板類型參數：每個被指定為auto的參數都成為不同的模板類型參數。假設你有這樣一個函數模板：

template <typename T>
decltype(auto) add(const T& t1, const T& t2) {
    return t1 + t2;
}

這個版本只有一個模板類型參數，而函數的兩個參數 t1 和 t2 都是 const T& 類型。對于這樣的函數模板，你不能使用簡化語法，因為這將被轉換為具有兩個不同模板類型參數的函數模板。

(2) 無法顯式使用推導類型：你不能在函數模板的實現中顯式使用這些自動推導的類型，因為這些自動推導的類型沒有名稱。如果你需要這樣做，你要么需要繼續使用普通的函數模板語法，要么使用 decltype() 來確定類型。

// C++50 中的 auto 使用
auto auto(auto... args) {
    return (... + args);
}