模板化的数学函数应该采用值还是 const 引用？

Posted 2023-02-17

【中文标题】模板化的数学函数应该采用值还是 const 引用？

【英文标题】：Should templated math functions take values or const references?

【发布时间】：2016-10-12 21:24:34

【问题描述】：

假设我想实现一些简单的数学函数；例如，假设它是 (C++17's) std::clamp 的重新实现：此函数接受一个数字、一个下限和一个上限，如果它超出了它们定义的范围，则将该数字设置为这些边界之一。如果是具体的数字类型，比如int，我会写：

constexpr int clamp(int x, int lower_bound, int upper_bound)

    return x < lower_bound ? lower_bound : ( upper_bound < x ? upper_bound : x );

但如果它是一个模板，我看到sample implementation 这可能是标准将使用的const& 而不是值。因此，让引用变得更简单，例如：

template <typename T>
constexpr T clip(const T& x, const T& lower_bound, const T& upper_bound)

    return x < lower_bound ? lower_bound : ( upper_bound < x ? upper_bound : x );

我的问题是：

对于 T 的简单数字类型，采用 const 引用有什么好处？ 同上，对于将单个数字包装为数据成员的一些抽象事物的类型（例如 std::chrono 持续时间）？ 为什么在任何相对简单、（constexpr？）、无副作用的数学函数的一般情况下，取一个const& 是一个更好的主意（而且完全是这样）？

注意事项：

我意识到，当您拥有某种 k 维向量类型或 boost::rationals 和其他类似数字的类型时，使用 const& 可能会开始有意义；但即便如此，编译器不会优化复制吗？ 我不是询问任何任意 C++ 函数以及它是否应该只按值获取其参数，这显然是个坏主意。

【问题讨论】：

它们不能是简单的数字类型。它们可能是表现得像数字的类型。毕竟你可能不想复制它们。此外，一个 const 引用绑定到一个临时的，有时它很有用。

@Zereges：再说一遍，为什么？编译器不会优化差异吗？

@einpoklum 它当然可以与您给定函数的任何其他类型一样

@Zereges：我猜的不是堆上有数据的类型。

【参考方案1】：

对于 T 的简单数字类型，采用 const 引用有什么好处？

没有。

同上，对于将单个数字包装为数据成员的一些抽象事物的类型（例如 std::chrono 持续时间）？

没有。

为什么在任何相对简单的（constexpr？）无副作用的数学函数的一般情况下，采用const& 是一个更好的主意（而且完全是这样）？

想象一个使用动态分配的 bigint 类型；复制这样的类型很昂贵。

编译器不会优化复制吗？

只有在能够证明复制值没有副作用的情况下，这很难做到，除非所涉及的所有代码对编译器都是可见的。 （因此，如果您的 bigint 使用 GMP，那么您就不走运了。）

【参考方案2】：

对于T 的简单数字类型，采用 const 引用有什么好处？

不，我不这么认为，但也没有处罚。

同上，对于将单个数字包装为数据成员的一些抽象事物的类型（例如std::chrono duration）？

同上。

为什么在一般情况下取一个 const& 然后取一个值是更好的主意？

标准库算法不仅为基本类型设计，还为用户定义类型设计，复制起来可能并不便宜。对于这些类型，使用 const& 可以避免复制的惩罚，同时不会损害基本类型的使用。

【讨论】：

但是，通过微不足道的编译器优化真的有惩罚吗？请参阅我的第一个注释。

我在你写评论的时候更新了答案。