传引用与传值

原创
2016/06/20 09:37
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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。
 
 “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。

 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)。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。

 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),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。另外,更重要的是,有时不能用引用来传递对象。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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