Effective C++ 2e Item22

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条款22: 尽量用“传引用”而不用“传值”

C语言中,什么都是通过传值来实现的,C++继承了这一传统并将它作为默认方式。除非明确指定,函数的形参总是通过“实参的拷贝”来初始化的,函数的调用者得到的也是函数返回值的拷贝。

正如我在本书的导言中所指出的,“通过值来传递一个对象”的具体含义是由这个对象的类的拷贝构造函数定义的。这使得传值成为一种非常昂贵的操作。例如,看下面这个(只是假想的)类的结构:

class Person {
public:
  Person();                         // 为简化,省略参数
                                    //
  ~Person();

  ...

private:
  string name, address;
};

class Student: public Person {
public:
  Student();                        // 为简化,省略参数
                                    //
  ~Student();

  ...

private:
  string schoolName, schoolAddress;
};

现在定义一个简单的函数returnStudent,它取一个Student参数(通过值)然后立即返回它(也通过值)。定义完后,调用这个函数:

Student returnStudent(Student s) { return s; }

Student plato;                      // Plato(柏拉图)在
                                    // Socrates(苏格拉底)门下学习

returnStudent(plato);               // 调用returnStudent

这个看起来无关痛痒的函数调用过程,其内部究竟发生了些什么呢?

简单地说就是:首先,调用了Student的拷贝构造函数用以将s初始化为plato;然后再次调用Student的拷贝构造函数用以将函数返回值对象初始化为s;接着,s的析构函数被调用;最后,returnStudent返回值对象的析构函数被调用。所以,这个什么也没做的函数的成本是两个Student的拷贝构造函数加上两个Student析构函数。

但没完,还有!Student对象中有两个string对象,所以每次构造一个Student对象时必须也要构造两个string对象。Student对象还是从Person对象继承而来的,所以每次构造一个Student对象时也必须构造一个Person对象。一个Person对象内部有另外两个string对象,所以每个Person的构造也必然伴随另两个string的构造。所以,通过值来传递一个Student对象最终导致调用了一个Student拷贝构造函数,一个Person拷贝构造函数,四个string拷贝构造函数。当Student对象被摧毁时,每个构造函数对应一个析构函数的调用。所以,通过值来传递一个Student对象的最终开销是六个构造函数和六个析构函数。因为returnStudent函数使用了两次传值(一次对参数,一次对返回值),这个函数总共调用了十二个构造函数和十二个析构函数!

在C++编译器的设计者眼里,这是最糟糕的情况。编译器可以用来消除一些对拷贝构造函数的调用(C++标准——见条款50——描述了具体在哪些条件下编译器可以执行这类的优化工作,条款M20给出了例子)。一些编译器也这样做了。但在不是所有编译器都普遍这么做的情况下,一定要对通过值来传递对象所造成的开销有所警惕。

为避免这种潜在的昂贵的开销,就不要通过值来传递对象,而要通过引用:

const Student& returnStudent(const Student& s)
{ return s; }

这会非常高效:没有构造函数或析构函数被调用,因为没有新的对象被创建。

通过引用来传递参数还有另外一个优点:它避免了所谓的“切割问题(slicing problem)”。当一个派生类的对象作为基类对象被传递时,它(派生类对象)的作为派生类所具有的行为特性会被“切割”掉,从而变成了一个简单的基类对象。这往往不是你所想要的。例如,假设设计这么一套实现图形窗口系统的类:

class Window {
public:
  string name() const;             // 返回窗口名
  virtual void display() const;    // 绘制窗口内容
};

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

每个Window对象都有一个名字,可以通过name函数得到;每个窗口都可以被显示,着可以通过调用display函数实现。display声明为virtual意味着一个简单的Window基类对象被显示的方式往往和价格昂贵的WindowWithScrollBars对象被显示的方式不同(见条款36,37,M33)。

现在假设写一个函数来打印窗口的名字然后显示这个窗口。下面是一个用错误的方法写出来的函数:

// 一个受“切割问题”困扰的函数
void printNameAndDisplay(Window w)
{
  cout << w.name();
  w.display();
}

想象当用一个WindowWithScrollBars对象来调用这个函数时将发生什么:

WindowWithScrollBars wwsb;

printNameAndDisplay(wwsb);

参数w将会作为一个Windows对象而被创建(它是通过值来传递的,记得吗?),所有wwsb所具有的作为WindowWithScrollBars对象的行为特性都被“切割”掉了。printNameAndDisplay内部,w的行为就象是一个类Window的对象(因为它本身就是一个Window的对象),而不管当初传到函数的对象类型是什么。尤其是,printNameAndDisplay内部对display的调用总是Window::display,而不是WindowWithScrollBars::display。

解决切割问题的方法是通过引用来传递w:

// 一个不受“切割问题”困扰的函数
void printNameAndDisplay(const Window& w)
{
  cout << w.name();
  w.display();
}

现在w的行为就和传到函数的真实类型一致了。为了强调w虽然通过引用传递但在函数内部不能修改,就要采纳条款21的建议将它声明为const。

传递引用是个很好的做法,但它会导致自身的复杂性,最大的一个问题就是别名问题,这在条款17进行了讨论。另外,更重要的是,有时不能用引用来传递对象,参见条款23。最后要说的是,引用几乎都是通过指针来实现的,所以通过引用传递对象实际上是传递指针。因此,如果是一个很小的对象——例如int——传值实际上会比传引用更高效。

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