从引用传递到设计模式 (上)

Posted 2020-07-18 飞鸢逐浪

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了从引用传递到设计模式 (上)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1 值传递

值传递是拷贝实参的值传给形参，常用于“小对象” (small objects)

int fact(int val)　　 // factorial of val 
{
    int ret = 1; 
   
    while (val > 1) 　// assign ret * val to ret and decrement val
        ret *= val--; 
    
    return ret;
}

调用下面函数，便是值传递：

cout << "5! is " << fact(5) << endl;

小对象一般为：内置类型(built-in types)，STL迭代器，函数对象类型(function object types)

只包含一对数据(x，y) 的 Point 类，也视为小对象

void Point::operator+=(Point delta); // pass-by-value

2 引用传递

引用传递不涉及拷贝，传递给形参的是实参变量的引用，其有两个优点：更高效和防切断，常用来传递“大数值” (large values)

2.1 更高效

基类 Person，派生类 Student

class Person{
private:
    std::string name;
    std::string address;
};

class Student: public Person{
private:
    std::string schoolName;
    std::string schoolAddress;
};

现有一个验证学生身份的函数，形参为值传递，则拷贝实参给形参的代价是：

调用 Person 构造函数一次，基类内 string 型数据成员的构造函数两次；Student 构造函数一次，派生类内 string 型数据成员两次；最后还会调用相应的析构函数六次，共计十二次调用，自然效率低下。

而引用传递，并不涉及拷贝操作，故显著的提高了效率。

bool validateStudent(Student s);    // pass-by-value 

bool validateStudent(const Student& s);  // pass-by-reference-to-const

2.2 防切断

下面的例子中，派生类 WindowWithScrollBars 中，重写了基类 Window 的虚函数 display

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;
};

在 printNameAndDisplay 函数中，调用了 dispaly 函数，而形参若采用值传递方式，则会发生“切断” (slicing)，即 wwsb 调用的是 Window::display()

因为在 printNameAndDisplay 中，并不修改传递进来的参数，假如采用 pass-by-const-reference 的形式，则会避免“切断”的发生

void printNameAndDisplay(Window w)
{
    std::cout << w.name();
    w.display();
}

// WindowWithScrollBars object will be sliced off
WindowWithScrollBars  wwsb;
printNameAndDisplay(wwsb);

3 动态绑定

上面"切断"的例子，实际上涉及的是 C++ 的动态绑定机制 (dynamic binding)，而动态绑定的一个关键就是引用传递，看下面例子：

class Quote {
public:
    std::string isbn() const;
    virtual double net_price(std::size_t n) const;
};

class Bulk_quote : public Quote { 
public:
    double net_price(std::size_t) const override;
};

在 cal_total 函数中，需要调用 net_price，采用 pass-by-const-reference 形式

double cal_total(const Quote &item, size_t n)  // calculate the price
{
    double ret = item.net_price(n);
    return ret;
}

调用 Quote::net_price 还是 Bulk_quote::net_price，取决于传递进来的参数

// basic is type Quote; bulk is type Bulk_quote
cal_total(basic, 20); //  Quote::net_price
cal_total(bulk, 20);  //  Bulk_quote::net_price

C++ 的动态绑定也叫“迟邦定”，它使程序直到运行时，才基于引用或指针绑定的对象类型，来选择调用哪个虚函数

4 设计模式

前面说到，动态绑定的一个关键是引用传递。它还有另一个关键 — 虚函数，例 2.2 中的 display 为虚函数，例 3 中的 net_price 同样也是虚函数。

4.1 模板方法

有一种编程惯例叫做 NVI (non-virtural interface) — 非虚拟接口：将所有的公有函数 (public) 声明为非虚拟的，也即虚函数声明为私有或保护 (private or protected)

该 NVI 惯例的实现，是通过一种设计模式 —— 模板方法 (template method) 来完成的

1) AbstractClass: TemplateMethod 为非虚成员函数 (public)，函数体内调用 PrimitiveOperation1 和 PrimitiveOperation2 两个虚函数(protected)

2) ConcreteClass: 继承自 AbstractClass, 重写了两个虚函数 PrimitiveOperation1 和 PrimitiveOperation2

4.2 代码实现

按该模式则例 3 中 Quote 里，可将 cal_total 声明为公有非虚成员函数，net_price 则声明为保护型，Bulk_quote 公有继承自 Quote，且重写虚函数 net_price

但在实际中，只有当 cal_total 内至少包含两个类似 net_price 的操作函数 (比如先调用 net_price 再 print_price)，才有使用设计模式的必要

下面是模板方法模式的简单示例：

class AbstractClass {
public:
    void TemplateMethod();
protected:
    virtual void PrimitiveOperation1() = 0;
    virtual void PrimitiveOperation2() = 0;
};

class ConcreteClass : public AbstractClass {
protected:
    void PrimitiveOperation1() override;
    void PrimitiveOperation2() override;
};

void AbstractClass::TemplateMethod()
{
    PrimitiveOperation1();
    PrimitiveOperation2();
}