从引用传递到设计模式


1  值传递

值传递实际上是，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;
   
    // assign ret * val to ret and decrement val
    while (val > 1)
        ret *= val--;
   
    return ret;
}

调用该函数：

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

<Effective C++> 中提及，值传递适用的“小对象”为：内置类型(built-in types)，STL迭代器，函数对象类型(function object types)

<C++ Programming Lauguage> 中有一个小例子， 只包含一对 int 型数据成员(x 和 y) 的 Point 类，也可视为小对象

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，常用来传递“大数值” (large values)

使用引用传递，有两个优点：更高效，防切断

2.1  更高效

下面是 Person 基类，及其派生类 Student 的定义

// class Person and its subclass Student
class Person{
public:
    Person();
    virtual ~Person();
private:
    std::string name;
    std::string address;
};

class Student: public Person{
public:
    Student();
    ~Student();
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：调用基类 Person 的构造函数一次，基类内 string 型数据成员的构造函数两次，

派生类 Student 的构造函数一次，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。

而使用引用传递，并不涉及拷贝操作，故而显著的提高了效率。

// 1) pass-by-value
bool validateStudent(Student s);

// 2) pass-by-reference-to-const
bool validateStudent(const Student& s);

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

// base class Window
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()

// pass-by-value is incorrect
void printNameAndDisplay(Window w)
{
    std::cout << w.name();
    w.display();
}

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

因为在 printNameAndDisplay 中，并不修改传递进来的参数。因此，可使用 pass-by-const-reference 的形式，避免“切断”的发生

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，下面看个更形象的例子：

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

// Bulk_quote inherits from Quote
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

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

实际程序中，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); // calls Quote::net_price
cal_total(bulk, 20); // calls 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。实际上，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： 将所有的共有函数 (public) 声明为非虚拟的，也即虚函数声明为私有或保护 (private or protected)

该惯例 NVI 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();
}

由上面的例子可以看到，模板方法是关于基类如何调用派生类内操作函数的，是一种反向控制结构，常用于代码复用。

这种反向结构也体现了一个设计原则，即好莱坞原则 — “不要给我们打电话，我们会打给你”

小结：

1) use pass-by-value for small objects；use pass-by-const-reference to pass large values that you don’t need to modify

2) dynamic binding happens when a virtual function is called through a reference (or a pointer) to a base class

3) Tempalte method pattern - define the skeleton of an algorithm in an operation, deferring some steps to subclasses.

4) Hollywood principle - don't call us, we'll call you

参考资料：

 <C++ Programming Language_4th> ch 12.2.1

 <Effective C++_3rd> item 20

 <C++ Primer_5th> ch 6.2,  ch 15.1

 <Design Patterns>

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