从引用传递到设计模式 (上)

1  值传递

  值传递是 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; 
   
    while (val > 1) 　// assign ret * val to ret and decrement val
        ret *= val--; 
    
    return ret;
}

  调用下面函数，便是值传递：

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

  小对象一般为：内置类型(built-in types)，STL迭代器，函数对象类型(function object types)

  只包含一对数据(x，y) 的 Point 类，也视为小对象

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，其有两个优点：更高效和防切断，常用来传递“大数值” (large values) 

2.1  更高效

  基类 Person，派生类 Student

class Person{
private:
    std::string name;
    std::string address;
};

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

  而引用传递，并不涉及拷贝操作，故显著的提高了效率。

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

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

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

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()

  因为在 printNameAndDisplay 中，并不修改传递进来的参数，假如采用 pass-by-const-reference 的形式，则会避免“切断”的发生

void printNameAndDisplay(Window w)
{
    std::cout << w.name();
    w.display();
}

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

 

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，看下面例子：

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

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

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

  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); //  Quote::net_price
cal_total(bulk, 20);  //  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。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： 将所有的公有函数 (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 NVI 惯例的实现，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.

 

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> template method