C++箴言：用傳引用給const取代傳值

2019-11-17 05:39:07

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　　缺省情況下，C++ 以傳值方式將對象傳入或傳出函數（這是一個從 C 繼續來的特性）。除非你非凡指定其它方式，否則函數的參數就會以實際參數（actual argument）的拷貝進行初始化，而函數的調用者會收到函數返回值的一個拷貝。這個拷貝由對象的拷貝構造函數生成。這就使得傳值（pass-by-value）成為一個代價不菲的操作。例如，考慮下面這個類層級結構：

class Person {
　 public:
　　 Person(); // parameters omitted for simplicity
　　 virtual ~Person(); // see Item 7 for why this is virtual
　　 ...

　 PRivate:
　　 std::string name;
　　 std::string address;
};

class Student: public Person {
　 public:
　　 Student(); // parameters again omitted
　　 ~Student();
　　 ...

　 private:
　　 std::string schoolName;
　　 std::string schoolAddress;
};

　　現在，考慮以下代碼，在此我們調用一個函數—— validateStudent，它得到一個 Student 參數（以傳值的方式），并返回它是否驗證有效的結果：

bool validateStudent(Student s); // function taking a Student
// by value

Student plato; // Plato studied under Socrates

bool platoIsOK = validateStudent(plato); // call the function

　　當這個函數被調用時會發生什么呢？

　　很明顯，Student 的拷貝構造函數被調用，用 plato 來初始化參數 s。同樣明顯的是，當 validateStudent 返回時，s 就會被銷毀。所以這個函數的參數傳遞代價是一次 Student 的拷貝構造函數的調用和一次 Student 的析構函數的調用。

　　但這還不是全部。一個 Student 對象內部包含兩個 string 對象，所以每次你構造一個 Student 對象的時候，你也必須構造兩個 string 對象。一個 Student 對象還要從一個 Person 對象繼續，所以每次你構造一個 Student 對象的時候，你也必須構造一個 Person 對象。一個 Person 對象內部又包含兩個額外的 string 對象，所以每個 Person 的構造也承擔著另外兩個 string 的構造。最終，以傳值方式傳遞一個 Student 對象的后果就是引起一次 Student 的拷貝構造函數的調用，一次 Person 的拷貝構造函數的調用，以及四次 string 的拷貝構造函數調用。當 Student 對象的拷貝被銷毀時，每一個構造函數的調用都對應一個析構函數的調用，所以以傳值方式傳遞一個 Student 的全部代價是六個構造函數和六個析構函數！

　　好了，這是正確的和值得的行為。究竟，你希望你的全部對象都得到可靠的初始化和銷毀。盡管如此，假如有一種辦法可以繞過所有這些構造和析構過程，應該變得更好，這就是：傳引用給 const（pass by reference-to-const）：

bool validateStudent(const Student& s);
　　這樣做非常有效：沒有任何構造函數和析構函數被調用，因為沒有新的對象被構造。被修改的參數聲明中的 const 是非常重要的。 validateStudent 的最初版本接受一個 Student 值參數，所以調用者知道它們屏蔽了函數對它們傳入的 Student 的任何可能的改變；validateStudent 也只能改變它的一個拷貝。現在 Student 以引用方式傳遞，同時將它聲明為 const 是必要的，否則調用者必然擔心 validateStudent 改變了它們傳入的 Student。

　　以傳引用方式傳遞參數還可以避免切斷問題（slicing problem）。當一個派生類對象作為一個基類對象被傳遞（傳值方式），基類的拷貝構造函數被調用，而那些使得對象的行為像一個派生類對象的非凡特性被“切斷”了。你只剩下一個純粹的基類對象——這沒什么可吃驚的，因為是一個基類的構造函數創建了它。這幾乎絕不是你希望的。例如，假設你在一組實現一個圖形窗口系統的類上工作：

class Window {
　 public:
　　 ...
　　 std::string name() const; // return name of window
　　 virtual void display() const; // draw window and contents
};

class WindowWithScrollBars: public Window {
　 public:
　　 ...
　　 virtual void display() const;
};

　　所有 Window 對象都有一個名字，你能通過 name 函數得到它，而且所有的窗口都可以顯示，你可一個通過調用 display 函數來做到這一點。display 為 virtual 的事實清楚地告訴你：一個純粹的基類的 Window 對象的顯示方法有可能不同于專門的 WindowWithScrollBars 對象的顯示方法。

　　現在，假設你想寫一個函數打印出一個窗口的名字，并隨后顯示這個窗口。以下這個函數的寫法是錯誤的：

void printNameAndDisplay(Window w) // incorrect! parameter
{ 
　 // may be sliced!
　 std::cout << w.name();
　 w.display();
}

　　考慮當你用一個 WindowWithScrollBars 對象調用這個函數時會發生什么：

WindowWithScrollBars wwsb;

printNameAndDisplay(wwsb);

　　參數 w 將被作為一個 Window 對象構造——它是被傳值的，記得嗎？而且使 wwsb 表現得像一個 WindowWithScrollBars 對象的非凡信息都被切斷了。在 printNameAndDisplay 中，全然不顧傳遞給函數的那個對象的類型，w 將始終表現得像一個 Window 類的對象（因為它就是一個 Window 類的對象）。非凡是，在 printNameAndDisplay 中調用 display 將總是調用 Window::display，絕不會是 WindowWithScrollBars::display。

　　繞過切斷問題的方法就是以傳引用給 const 的方式傳遞 w：

void printNameAndDisplay(const Window& w) // fine, parameter won’t
{
　 // be sliced
　 std::cout << w.name();
　 w.display();
}

　　現在 w 將表現得像實際傳入的那種窗口。

　　假如你掀開編譯器的蓋頭偷看一下，你會發現用指針實現引用是非常典型的做法，所以以引用傳遞某物實際上通常意味著傳遞一個指針。由此可以得出結論，假如你有一個內建類型的對象（例如，一個 int），以傳值方式傳遞它經常比傳引用方式更高效。那么，對于內建類型，當你需要在傳值和傳引用給 const 之間做一個選擇時，沒有道理不選擇傳值。同樣的建議也適用于 STL 中的迭代器（iterators）和函數對象（function objects），因為，作為慣例，它們就是為傳值設計的。迭代器（iterators）和函數對象（function objects）的實現有責任保證拷貝的高效并且不受切斷問題的影響。（這是一個“規則如何變化，依靠于你使用 C++ 的哪一個部分”的實例。）

　　內建類型很小，所以有人就斷定所有的小類型都是傳值的上等候選者，即使它們是用戶定義的。這樣的推論是不可靠的。僅僅因為一個對象小，并不意味著調用它的拷貝構造函數就是廉價的。很多對象——大多數 STL 容器也在其中——容納的和指針一樣，但是拷貝這樣的對象必須同時拷貝它們指向的每一樣東西。那可能是非常昂貴的。

　　即使當一個小對象有一個廉價的拷貝構造函數，也會存在性能問題。一些編譯器對內建類型和用戶定義類型并不一視同仁，即使他們有同樣的底層表示。例如，一些編譯器拒絕將僅由一個 double 組成的對象放入一個寄存器中，即使在常規上它們非常愿意將一個純粹的 double 放入那里。假如發生了這種事情，你以傳引用方式傳遞這樣的對象更好一些，因為編譯器理所當然會將一個指針（引用的實現）放入寄存器。

　　小的用戶定義類型不一定是傳值的上等候選者的另一個原因是：作為用戶定義類型，它的大小經常變化。一個現在較小的類型在將來版本中可能變得更大，因為它的內部實現可能會變化。甚至當你換了一個不同的 C++ 實現時，事情都可能會變化。例如，就在我這樣寫的時候，一些標準庫的 string 類型的實現的大小就是另外一些實現的七倍。

　　通常情況下，你能合理地假設傳值廉價的類型僅有內建類型及 STL 中的迭代器和函數對象類型。對其他任何類型，請遵循本 Item 的建議，并用傳引用給 const 取代傳值。

　　Things to Remember

　　·用傳引用給 const 取代傳值。典型情況下它更高效而且可以避免切斷問題。

　　·這條規則并不適用于內建類型及 STL 中的迭代器和函數對象類型。對于它們，傳值通常更合適。

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