如何在转换类型时保留值类别与cv限定符？

问题背景 #

C++中的std::forward仅能转发原有类型的值类别和cv限定符，无法完成跨类型转换。我们需要一个perfect_cast函数，在将输入转换为目标类型的同时，完整保留原参数的左值/右值属性以及const、volatile限定符，确保重载函数能正确匹配调用。

实现方案 #

C++23 简洁实现 #

C++23引入的std::forward_like原生支持这类需求——它会参照指定模板参数的引用类型和cv限定，转发目标对象，完美保留原有的值类别和属性：

#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <format>
#include <utility>

template <typename To, typename From>
decltype(auto) perfect_cast(From&& s)
{
    return std::forward_like<From>(static_cast<To&&>(s));
}

// 以下为测试代码
template <std::size_t I>
struct A
{
    void f()&
    {
        std::cout << std::format("lvalue A{:d}", I) << std::endl;
    }
    void f() const&
    {
        std::cout << std::format("const lvalue A{:d}", I) << std::endl;
    }
    void f()&&
    {
        std::cout << std::format("rvalue A{:d}", I) << std::endl;
    }
    void f() const&&
    {
        std::cout << std::format("const rvalue A{:d}", I) << std::endl;
    }
};

template <std::size_t ...Is>
struct B : A<Is>... { };

auto g1()
{
    return B<0, 1, 2, 3>{};
}

const auto g2()
{
    return B<0, 1, 2, 3>{};
}

int main()
{
    B<0, 1, 2, 3> b;
    auto& b1 = b;
    perfect_cast<A<0>>(b1).f();
    const auto& b2 = b1;
    perfect_cast<A<1>>(b2).f();
    perfect_cast<A<2>>(g1()).f();
    perfect_cast<A<3>>(g2()).f();
}

C++20及更早版本手动实现 #

如果使用C++20或更早版本，需要手动推导原参数的属性并构造对应目标类型：

#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <format>

template <typename To, typename From>
decltype(auto) perfect_cast(From&& s)
{
    using FromNoRef = std::remove_reference_t<From>;
    // 为目标类型添加原参数的const限定
    using QualifiedTo = std::conditional_t<std::is_const_v<FromNoRef>,
                                           std::add_const_t<To>,
                                           To>;
    
    if constexpr (std::is_lvalue_reference_v<From>) {
        // 原参数是左值，返回带cv限定的左值引用
        return static_cast<QualifiedTo&>(s);
    } else {
        // 原参数是右值，返回带cv限定的右值引用
        return static_cast<QualifiedTo&&>(s);
    }
}

// 测试代码与上述C++23版本一致

原理说明 #

• C++23版本：std::forward_like<From>会自动匹配From的引用类型（左值/右值）和cv限定，结合static_cast<To&&>完成类型转换，直接实现需求。
• 手动实现版本：
  1. 提取原参数的基础类型（移除引用），判断其是否带有const限定并传递给目标类型。
  2. 根据原参数的引用类型，返回对应类别的目标类型引用，确保值类别和cv限定被完整保留，触发正确的重载函数。

测试结果 #

编译运行代码后，输出符合预期：

lvalue A0
const lvalue A1
rvalue A2
const rvalue A3

内容的提问来源于stack exchange，提问作者El Mismo Sol