C++箴言:必須返回對象時別返回引用

字號:

一旦程序員抓住對象傳值的效率隱憂,很多人就會成為狂熱的圣戰(zhàn)分子,誓要根除傳值的罪惡,無論它隱藏多深。他們不屈不撓地追求傳引用的純度,但他們?nèi)挤噶艘粋€致命的錯誤:他們開始傳遞并不存在的對象的引用。這可不是什么好事。
    考慮一個代表有理數(shù)的類,包含一個將兩個有理數(shù)相乘的函數(shù):
    class Rational {
    public:
    Rational(int numerator = 0, // see Item 24 for why this
    int denominator = 1); // ctor isn’t declared explicit
    ...
    private:
    int n, d; // numerator and denominator
    friend:
    const Rational // see Item 3 for why the
    operator*(const Rational& lhs, // return type is const
    const Rational& rhs);
    };
    operator* 的這個版本以傳值方式返回它的結(jié)果,而且如果你沒有擔心那個對象的構(gòu)造和析構(gòu)的代價,你就是在推卸你的專業(yè)職責。如果你不是迫不得已,你不應(yīng)該為這樣的一個對象付出成本。所以問題就在這里:你是迫不得已嗎?
    哦,如果你能用返回一個引用來作為代替,你就不是迫不得已。但是,請記住一個引用僅僅是一個名字,一個實際存在的對象的名字。無論何時只要你看到一個引用的聲明,你應(yīng)該立刻問自己它是什么東西的另一個名字,因為它必定是某物的另一個名字。在這個 operator* 的情況下,如果函數(shù)返回一個引用,它必須返回某個已存在的而且其中包含兩個對象相乘的產(chǎn)物的 Rational 對象的引用。
    當然沒有什么理由期望這樣一個對象在調(diào)用 operator* 之前就存在。也就是說,如果你有
    Rational a(1, 2); // a = 1/2
    Rational b(3, 5); // b = 3/5
    Rational c = a * b; // c should be 3/10
    似乎沒有理由期望那里碰巧已經(jīng)存在一個值為十分之三的有理數(shù)。不是這樣的,如果 operator* 返回這樣一個數(shù)的引用,它必須自己創(chuàng)建那個數(shù)字對象。
    一個函數(shù)創(chuàng)建一個新對象僅有兩種方法:在棧上或者在堆上。棧上的生成物通過定義一個局部變量而生成。使用這個策略,你可以用這種方法試寫 operator*:
    const Rational& operator*(const Rational& lhs, // warning! bad code!
    const Rational& rhs)
    {
    Rational result(lhs.n * rhs.n, lhs.d * rhs.d);
    return result;
    }
    你可以立即否決這種方法,因為你的目標是避免調(diào)用構(gòu)造函數(shù),而 result 正像任何其它對象一樣必須被構(gòu)造。一個更嚴重的問題是這個函數(shù)返回一個引向 result 的引用,但是 result 是一個局部對象,而局部對象在函數(shù)退出時被銷毀。那么,這個 operator* 的版本不會返回引向一個 Rational 的引用——它返回引向一個前 Rational;一個曾經(jīng)的 Rational;一個空洞的、惡臭的、腐敗的,從前是一個 Rational 但永不再是的尸體的引用,因為它已經(jīng)被銷毀了。任何調(diào)用者甚至于沒有來得及匆匆看一眼這個函數(shù)的返回值就立刻進入了未定義行為的領(lǐng)地。這是事實,任何返回一個引向局部變量的引用的函數(shù)都是錯誤的。(對于任何返回一個指向局部變量的指針的函數(shù)同樣成立。)
    那么,讓我們考慮一下在堆上構(gòu)造一個對象并返回引向它的引用的可能性?;诙训膶ο笸ㄟ^使用 new 而開始存在,所以你可以像這樣寫一個基于堆的 operator*:
    const Rational& operator*(const Rational& lhs, // warning! more bad
    const Rational& rhs) // code!
    {
    Rational *result = new Rational(lhs.n * rhs.n, lhs.d * rhs.d);
    return *result;
    }
    哦,你還是必須要付出一個構(gòu)造函數(shù)調(diào)用的成本,因為通過 new 分配的內(nèi)存要通過調(diào)用一個適當?shù)臉?gòu)造函數(shù)進行初始化,但是現(xiàn)在你有另一個問題:誰是刪除你用 new 做出來的對象的合適人選?
    即使調(diào)用者盡職盡責且一心向善,它們也不太可能是用這樣的方案來合理地預(yù)防泄漏:
    Rational w, x, y, z;
    w = x * y * z; // same as operator*(operator*(x, y), z)
    這里,在同一個語句中有兩個 operator* 的調(diào)用,因此 new 被使用了兩次,這兩次都需要使用 delete 來銷毀。但是 operator* 的客戶沒有合理的辦法進行那些調(diào)用,因為他們沒有合理的辦法取得隱藏在通過調(diào)用 operator* 返回的引用后面的指針。這是一個早已注定的資源泄漏。