函数参数的最佳传递方式与现代C++的规则

函数参数的最佳传递方式与现代C++的规则

在C++中，如何最佳地传递函数参数以及如何处理类的特殊成员函数，一直是优化性能和代码质量的重要话题。下面我将详细解释这些概念。

使用移动语义实现 Swap 函数

移动语义（Move Semantics）能够提升性能的一个例子是实现一个交换（swap）函数模板，该模板交换两个对象。不使用移动语义的实现如下：

template <typename T>
void swapCopy(T& a, T& b) {
    T temp { a };
    a = b;
    b = temp;
}

这种实现方式会影响性能，尤其是当类型T的拷贝开销很大时。使用移动语义，实现可以避免所有拷贝：

template <typename T>
void swapMove(T& a, T& b) {
    T temp { std::move(a) };
    a = std::move(b);
    b = std::move(temp);
}

这就是标准库中 std::swap() 的实现方式。

在返回语句中使用 std::move()

如果返回语句的形式为 return object;，并且 object 是一个局部变量、函数参数或临时值，编译器会将其视为右值表达式，并触发返回值优化（RVO）。此外，如果 object 是一个局部变量，命名返回值优化（NRVO）也可能发生。RVO和NRVO都是拷贝省略（Copy Elision）的形式，使得从函数返回对象非常高效。

使用 std::move() 来返回对象会怎样呢？无论你写 return object; 还是 return std::move(object);，在两种情况下，编译器都会将其视为右值表达式。然而，使用 std::move()，编译器无法再应用RVO或NRVO，这可能会对性能产生重大影响！

所以，请记住以下规则：当从函数返回局部变量或参数时，只需写 return object;，不要使用 std::move()。

参数的最佳传递方式

到目前为止，建议对非原始类型的函数参数使用 const 引用参数，以避免不必要的昂贵拷贝。然而，随着右值的引入，情况略有变化。想象一个无论如何都会拷贝其参数的函数。现在，你可能想要添加一个重载，以避免在右值的情况下进行任何拷贝。这里有一个例子：

class DataHolder {
public:
    void setData(const std::vector<int>& data) {
        m_data = data;
    }
    void setData(std::vector<int>&& data) {
        m_data = std::move(data);
    }

private:
    std::vector<int> m_data;
};

但是，有一种更好的方式，涉及使用传值的单个方法。对于函数本来就会拷贝的参数，使用传值语义是最优的选择。如果传入左值，它恰好被拷贝一次。如果传入右值，不会进行拷贝。

零规则（Rule of Zero）

在现代C++中，应该遵循所谓的零规则（Rule of Zero）。这个规则指出，你应该设计你的类，使它们不需要任何特殊的成员函数。怎么做到这一点呢？基本上，你应该避免使用任何老式的动态分配内存。相反，应该使用像标准库容器这样的现代构造。例如，使用 vector> 替代 Spreadsheet 类中的 SpreadsheetCell** 数据成员。vector 会自动处理内存，因此不需要任何特殊的成员函数。

现代C++中推荐使用零规则，而五规则（Rule of Five）应该限于自定义的资源获取是初始化（RAII）类。RAII类获取资源的所有权，并在合适的时候处理它的释放。这是一种设计技术，例如，由 vector 和 unique_ptr 使用，并在后续的章节中进一步讨论。

静态方法和 const 方法是 C++ 中的两个重要概念，它们各自在不同的情况下发挥着重要作用。

静态方法（Static Methods）

静态方法是那些不依赖于类的实例而存在的方法。与静态数据成员类似，静态方法适用于整个类，而不是每个对象。在实现静态方法时，需要注意以下几点：

• 静态方法不是针对特定对象调用的，因此它们没有 this 指针，也无法访问类的非静态成员。
• 静态方法可以访问类的私有和保护的静态成员，也可以在具有相同类型的对象上访问私有和保护的非静态成员，前提是这些对象对静态方法可见（例如，通过作为参数传递对象的引用或指针）。
• 在类内部的任何方法中，可以像调用常规成员函数一样调用静态方法。在类外部，需要使用作用域解析操作符（::）并带上类名来调用静态方法。

例如：

Foo::bar();

const 方法（Const Methods）

const 方法是保证不会修改任何数据成员的方法。如果你有一个 const 对象，引用到 const 或指向 const 的指针，编译器不允许你调用除非是 const 方法的任何方法。通过在方法声明时使用 const 关键字，可以保证该方法不会修改任何数据成员。

例如：

double SpreadsheetCell::getValue() const {
    return m_value;
}

std::string SpreadsheetCell::getString() const {
    return doubleToString(m_value);
}

• 在 const 方法内部，所有数据成员都被视为 const，因此如果尝试修改数据成员，编译器会报错。
• 不能将静态方法声明为 const，因为这是多余的。静态方法没有类的实例，因此它们无法更改内部值。
• 在非 const 对象上可以调用 const 和非 const 方法。然而，只能在 const 对象上调用 const 方法。

mutable 数据成员（Mutable Data Members）

有时，你可能会编写一个在逻辑上是 const 的方法，但该方法恰好会更改对象的某个数据成员。这种修改对用户可见的数据没有影响，但从技术上讲是一种更改，因此编译器不允许你将方法声明为 const。在这种情况下，可以使用 mutable 关键字来声明那些即使在 const 方法中也可以被修改的数据成员。

例如：

class SpreadsheetCell {
    // ...
private:
    double m_value { 0 };
    mutable size_t m_numAccesses { 0 };
    // ...
};

double SpreadsheetCell::getValue() const {
    m_numAccesses++;
    return m_value;
}

std::string SpreadsheetCell::getString() const {
    m_numAccesses++;
    return doubleToString(m_value);
}

在这个例子中，即使 getValue() 和 getString() 被标记为 const，它们也可以修改 m_numAccesses，因为它被声明为 mutable。这允许方法在保持其 const 性质的同时，对某些数据成员进行修改。

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参考：Professional C++ 5Th Edition

公众号：coding日记