C++ 通过常量引用传递和通过常量引用返回

Posted 2023-02-25

【中文标题】C++ 通过常量引用传递和通过常量引用返回

【英文标题】：C++ Pass By Const Reference and Return By Const Reference

【发布时间】：2011-03-14 02:47:23

【问题描述】：

我试图了解返回 const 引用是否有任何好处。我有一个通常看起来像这样的阶乘函数：

unsigned long factorial(unsigned long n)

    return (n == 0) ? 1 : n * factorial(n - 1);

我假设当我们通过const 引用并返回const 引用时性能会有所提高...但是const-正确性总是让我感到困惑。

const unsigned long & factorial(const unsigned long& n)

    return (n == 0) ? 1 : n * factorial(n - 1);

返回const 引用是否有效？此外，有人可以告诉我：它有益吗？

【问题讨论】：

当返回值超出范围（即在函数末尾）时会发生什么？我的猜测是引用指向无效内存。

通过 const 引用传递 long 不太可能有利于按值传递它。一般来说，这是特定于实现的，但在我能想到的所有架构上，long 和 long& 都将表示为 32 位数量，或者两者都表示为 64 位。因此，您复制了相同数量的数据，但现在调用者必须计算地址（这意味着它还必须有一个本地地址，而不仅仅是保存在寄存器中），而被调用者必须取消引用。充其量，函数会被内联，优化器会删除引用。

所以如果我只将返回和输入参数设为 const （没有引用，只有 const 值），我是安全的。

你很安全，但它也毫无意义（至少对调用者而言）——因为“***”const 完全从函数签名的参数中删除，并且将保留但没有任何区别对于 long 的返回类型（尽管它可能对类类型有所不同）。

@robinjam 我认为这种行为是“未定义的”（参见 en.wikipedia.org/wiki/Undefined_behavior 和 catb.org/jargon/html/N/nasal-demons.html ）。使用 MSVC，它将指向现在正用于其他用途的有效（堆栈）内存（或至少，不再为局部变量保留），即内存是可读的，但可能包含一个随机数（或者，可能 偶尔包含一个随机数，具体取决于是否发生中断并用其他内容覆盖内存位置）。

【参考方案1】：

这是无效的。您不能返回对局部变量的引用。

MSVS C++ 编译器甚至给出以下警告：

main.cc : warning C4172: returning address of local variable or temporary

不太确定 GCC，但结果可能是一样的。

【讨论】：

好的，但是可以安全地假设有效的优化是使输入参数为 const 引用，因为我听说通过引用传递 const 对内置类型没有太大好处（如长）。而且我至少应该将返回类型设为 const（没有引用）？

经验法则是：当您知道类型时 - 按值传递基元，按值传递封装单个基元的类，通过 const 引用传递其他所有内容。对于不透明的第三方类，告诉他们的文档告诉你做什么（例如迭代器 - 按值传递）。当您事先不知道类型时（例如，它是模板类型参数），通过 const 引用传递并希望优化器将其剥离到不需要的地方:)

@Lirik 我个人只在使用const 引用时使用const，并且只在类中使用。否则，它们根本没有意义。关于优化 - 优化和配置文件。此处的引用（在汇编代码中）有时会使事情变得更好，有时会变得更糟。您可能也对此感兴趣：cpp-next.com/archive/2009/08/want-speed-pass-by-value

【参考方案2】：

这里的 const 引用不正确 - 您正在返回对局部变量的引用 - 这里是一个未命名的临时变量，1 或 n * factorial(n - 1) 的结果。因为引用是对函数中的一个局部变量，所以当引用到达调用者时，该局部变量已经超出范围，并且是无效的。

返回对大型结构化类型的 const 引用，当该引用在函数退出后仍然存在时，您希望避免复制到该引用。通常，这意味着返回对参数或成员变量的引用（在类的情况下）。

【参考方案3】：

如果值的大小很小，则 const 引用不会比值快。在这种情况下，值的类型是long，它是 IMO 小（例如 4 到 8 个字节）：所以 const 引用不会更快。事实上它可能更慢，因为要获取引用的值，编译器可能需要发出将取消引用引用的代码（如取消引用指针）。

鉴于引用（内部）像指针一样实现，我希望当值的大小大于指针的大小时（假设它是偶数），传递引用比传递值获得更好的性能传递引用合法：对超出范围的局部变量的引用是不合法的）。

【讨论】：

对内部变量的指针/引用 is 在表达式的生命周期内有效，这就是 std::string 的 .c_str() 和 operator= 有效的原因。这也是为什么 const char* monkey = myStr.c_str();然后在代码的其他地方使用指针“猴子”是个坏主意。

【参考方案4】：

可能，但我永远不会那样做。为什么？

因为这是使您的代码不可读的好方法。

此外，编译器将优化它，而无需此 hack。

此外，您的程序没有其他“瓶颈”需要优化吗？ 我的意思是，如果您将这部分代码放在汇编中查看它，您会发现将值传递给函数并获得结果只是几个操作码。怎么样？ 好吧，一个 32 位整数将适合寄存器。快如“mov eax, ...”。 另一方面，您的程序可能还有其他可能需要优化的设计/算法问题......除非它像“hello world”程序一样简单。

所以，我不会做这些事情，欢迎大家挑战我。

【讨论】：

+1 表示“使代码不可读的好方法”，并且真正破坏了 IMO。我从事过这样的项目，相信我这会造成痛苦:-(

这个问题清楚地表明它不是关于程序代码优化（或可读性），而是关于 理解 const 引用及其用途。如果没有证据，我不相信“编译器无论如何都会优化它”。关于可读性你是对的——但有时你必须做你必须做的事，尤其是在像 C++ 这样的语言中。

【参考方案5】：

通过 const 引用返回有效的唯一情况是，如果您返回的对象的寿命将超过函数调用*（例如返回调用该函数的类的成员），甚至在这种情况下在上下文中，是否应该这样做是值得怀疑的，因为这将允许两个不同的调用者访问相同的内存位置，如果您使用多个线程，这会使事情成为一场噩梦。

*注意：在您的情况下，您返回的项目是一个局部变量，因此不会超过函数调用。因此，您提供的代码正在调用邪恶的未定义行为。