宁以pass-by-reference-to-const替换pass-by-value——条款20

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#对象传递方式 #引用传递和值传递

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探讨C++中对象传递的成本，对比值传递与引用传递的效率，解析对象切割问题及解决方案，推荐使用const引用传递提高性能。

缺省(默认)情况下C++以by value方式（一个继承自C的方式）传递对象至（或来自）函数。除非你另外指定，否则函数参数都是以实际实参的复件（副本）为初值，而调用端所获得的亦是函数返回值的一个复件。这些复件（副本）系由对象的copy构造函数产出，这可能使得pass-by-value成为昂贵的（费时的）操作。考虑一下class继承体系：

class Person {
public:
    Persion();             // 为求简化，省略参数
    virtual ~Persion();    // 条款7告诉你为什么它是virtual
    ...
private:
    std::string name;
    std::string address;
};

class Student: public Persion {
public:
    Student();
    ~Student();
    ...
private:
    std::string schoolName;
    std::string schoolAddress;
};

现在考虑以下代码，其中调用函数validateStudent，后者需要一个Student实参（by value）并返回它是否有效：

bool validateStudent(Student s);            // 函数以by value方式接受学生
Student plato;                              // 柏拉图，苏格拉底的学生
bool platoIsOK = validateStudent(plato);    // 调用函数

当上述函数被调用时，发生什么事？

无疑地Student的copy构造函数会被调用，以plato为蓝本将s初始化。同样明显地，当validateStudent返回s会被销毁。因此，对此函数而言，参数的传递成本是“一次Student copy构造函数调用，加上一次Student析构函数调用”。

但那还不是整个故事喔。Student对象内有两个string对象，所以每次构造一个Student对象也就构造了两个string对象。此外Student对象继承自Person对象又有两个string对象在其中，因此每一次Person构造动作又需要承担两个string构造动作。最终结果是，以by value方式传递一个Student对象会导致调用一次Student copy构造函数、一次Person copy构造函数、四次string copy构造函数。当函数内的那个Student复件被销毁，每一个构造函数调用动作都需要一个对应的析构函数调用动作。因此，以by value方式传递一个Student对象，总体成本是“六次构造函数和六次析构函数”！

上述方式尽管正确，但要是能避免所有那些构造和析构动作就太好了。有的，就是pass bu reference-to-const：

bool validateStudent(const Student& s);

这种传递方式的效率高得多：没有任何构造函数或析构函数被调用，因为没有任何新对象被创建。修订后的这个参数声明中的const是重要的。原先的validateStudent以by value方式接受一个Student参数，因此调用者知道他们受到保护，函数内绝不会对传入的Student作任何改变；validateStudent只能够对其复件（副本）做修改。现在Student以by reference方式传递，将它声明为const是必要的，因为不这样做的话调用者会忧虑validateStudent会不会改变他们传入的那个Student。

以by reference方式传递参数也可以避免slicing（对象切割）问题。当一个derived class对象以by value方式传递并被视为一个base class对象，base class的copy构造函数会被调用，而“造成此对象的行为像个derived class对象”的那些特化性质全被切割掉了，仅仅留下一个base class对象。这实在不怎么让人惊讶，因为正是base class构造函数建立了它。但这几乎绝对不会是你想要的。假设你在一组classes上工作，用来实现一个图形窗口系统：

class Window {
public:
    ...
    std::string name() const;        // 返回窗口名称
    virtual void display() const;    // 显示窗口和其内容
};

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

所有Window对象都带有一个名称，你可以通过name函数取得它。所有窗口都可显示，你可以通过display函数完成它。display是个virtual函数，这意味简易朴素的base class Window对象的显示方式和华丽高贵的WindowWithhScrollBars对象的显示方式不同（见条款34和条款36）。

现在假设你希望写个函数打印窗口名称，然后显示该窗口。下面是错误示范：

void printNameAndDisplay(Window w)      // 不正确！参数可能被切割。
{
    std::cout << w.name();
    w.display();
}

当你调用上述函数并交给它一个windowWithScrollBars对象，会发生什么事呢？

WindowWithScrollBars wwsb;
printNameAndDisplay(wwsb);

参数w会被构造成为一个Window对象；它是passed by value，还记得吗？而造成wwsb“之所以是个WindowWithScrollBars对象”的所有特化信息都会被切除。在printNameAndDisplay函数内不论传递过来的对象原本是什么类型，参数w就像一个Window对象（因为其类型是Window）。因此在printNameAndDisplay内调用display调用的总是Window::display，绝不会是windowWithScrollBars::display。

解决切割（slicing）问题的办法，就是以by reference-to-const的方式传递w：

void printNameAndDisplay(Window& w)      // 正确！参数不会被切割。
{
    std::cout << w.name();
    w.display();
}

现在，传进来的窗口是什么类型，w就表现出那种类型。

如果窥视C++编译器的底层，你会发现，references往往以指针实现出来，因此pass by reference通常意味真正传递的是指针。因此如果你有个对象属于内置类型（例如int），pass by value往往比pass by reference的效率高些。对内置类型而言，当你有机会选择采用pass-by-value或pass-by-reference-to-const时，选择pass-by-value并非没有道理。这个忠告也适用于STL的迭代器和函数对象，因为习惯上它们都被设计为passed by value。

一般而言，你可以合理假设“pass-by-value并不昂贵”的唯一对象就是内置类型和STL的迭代器和函数对象。至于其他任何东西都请遵守本条款的忠告，尽量以pass-by-reference-to-const替换pass-by-value。