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传值、传指针和传引用

发表于 更新于 分类于 ，

我们先从最简单的内置类型说起，结合汇编代码说说三者之间的联系和区别；然后我们再讲用户自定义类类型的三种传参方式的优劣。

内置类型

内置类型的传值是最简单的，也是其他传参形式的基础。此处的“其它传参形式”指所有传参方式，包括内置类型的传指针、传引用，也包括自定义类类型的传值、传指针和传引用。

传指针也是传值

内存地址（指针）也是一个数值，所以从汇编代码的层次看，传值和传指针其实是一样的（《Head First C》中也提到 C 语言所有的传参都是传值）。传值之后的操作更大程度上依赖于业务：

  1. 传值（不包括传指针的情形），被调用函数声明为 func(const int i) 或 func(int i) 的形式，但后者在其多数的使用场景中其实并不规范，往往应该用 const 修饰。在 func() 的定义中一般不会对 i 进行取地址操作。这是最基础的使用情形。

  2. 传值（特指传指针），被调用函数多声明为 func(int *pi) 的形式，也有变种 func(int * const pi) 和 func(const int *pi)。传指针的应用场景又可以分为两种：

    • 需要解引用。一般使用场景为修改指针指向的值的内容，此时不可以声明为 func(const int *pi)
    • 不需要解引用。只是单纯的对指针做一些操作，比如重新指向，或者加减指针操作，此时不可以声明为 func(int * const pi)

引用的实现往往基于指针

广义的传值是包括传指针的。传引用，个人认为是对传指针的一种包装，更易于使用，更少的出错可能性。实际上引用的实现往往基于指针，我们可以粗略的认为“传引用 = 传指针 + 解引用”。传引用也可以分为两种使用场景：

  1. 不会对引用进行取地址操作。这是最常用的情形。
  2. 会对引用进行取地址操作。这其实是存在性能浪费的，为什么不直接传指针呢？如果说你是回避指针，减少出错的可能性，但既然还是要取地址，那不如从一开始就面对；另一种可能性是函数定义中多数操作是非指针操作，取地址只是个小比例。

代码怎么写更好

上述列举了 5 种代码场景，我们通过业务场景再进行一次分类：

不改实参

我们不需要在被调用函数中修改实参

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func(const int i);
func(const int* pi);
func(const int& ref);

虽然上述 3 种都可以实现目的，但哪一种更好呢？先说结论，在《Effective C++》里提到

对内置(C-like)类型在函数传参时pass by value比pass by reference更高效，当用OO的c++自定义类型(存在构造/析构等)pass by reference to const 更好，STL里的迭代器和函数对象是用C指针实现的，因此pass by value更好。

我们先不讨论自定义类类型。如果有特殊的业务要求，比如要根据指针获得下一个内存块，那么使用指针更合适，但最普通的使用场景下，传指针（包括传引用）比传值多一个解引用步骤（传指针需要显示解引用，传引用是隐式解引用），除此之外两者的开销其实是一样的，就像前面提到的，在汇编代码层次，传递指针和传递数值指令是一样的。

要改实参

我们有修改实参的需求

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func(int * const pi);
func(int& ref);

哪一种更好呢？如果没有必须使用指针的理由，为了减少出现错误的可能性，个人认为还是选择引用更好一些。貌似 Google 的编码规范中统一接口形式，要求使用指针。

其他

  1. 对于内置类型，传值比传引用更高效。虽然我无法确定内置类型没有构造函数（我个人倾向于没有构造的观点），参考 Do built-in types have default constructors?
  2. 内置类型的初始化和赋值成本一样（参考《Effective C++》 第28页）
  3. 来看 《Effective Modern C++》第 50 页的一句话，重点看我加粗的这一句。可以看出大师对“内置类型初始化和赋值区别”的态度——对于使用者来说，两者的区别不值一提。由此推断，对使用者来说可以认为两者的成本是一样的。同大师在上一版本的作品中给出的结论一致。

The “confusing mess” lobby points out that the use of an equals sign for initialization（使用 = 的初始化） often misleads C++ newbies into thinking that an assignment is taking place（误认为是赋值操作）, even though it’s not. For built-in types like int, the difference is academic（学术的，理论的）, but for userdefined types, it’s important to distinguish initialization from assignment

类类型

我们之前讨论内置类型时，提到一点“内置类型的传值和传引用（传指针），在撇开解引用步骤之外开销是一样的”。因为内置类型传值是传递一个数值，传指针也是传递一个数值。

我们都知道类类型是对数据的封装——对内置类型或类类型的封装，继承体系中派生类对基类的封装。只关注首尾，类其实是对很多个内置类型的数据成员的封装。从自然语义上说，类类型的传值得包括其所有数据成员的传值，如此就意味着得传递很多个（内置类型）数值了。从严格的语法定义上，类类型传值需要付出类对象初始化（拷贝构造）和销毁（析构）成本，而传引用（指针）可以通过“传地址 + 解引用”来避免这些成本，这基本上是稳赚的——类封装起来的内置类型成员越多，代价越大；而传地址只是传递一个数值，解引用只是一步寻址操作，成本是固定的。只封装一个内置类型成员的类多见于测试代码，实际应用中基本不会出现。

用户自定义的类类型，函数调用时传常量引用比传值更高效，因为前者不会有类对象初始化（拷贝构造）和销毁（析构）成本。

附录

汇编代码

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// 所有的汇编指令都是对内存块的操作，其参数都是内存标记（寄存器或内存地址）
#include <iostream>
#include <string>

using std::cout;
using std::endl;
void Print(const int i)
{
  int j = i;
//008A181E  mov         eax,dword ptr [i]  
//008A1821  mov         dword ptr [j],eax
  cout << j << endl;
}

void Print2(const int& i)
{
  int j = i;
  // 引用多用指针实现
//00DB179E  mov         eax,dword ptr [i]     // 跟传指针一样。直接将 [] 中的 i 臆想为 pi
//00DB17A1  mov         ecx,dword ptr [eax]   // 
//00DB17A3  mov         dword ptr [j],ecx
  cout << j << endl;
}

void Print3(const int *pi)
{
  int j = *pi;
//009C181E  mov         eax,dword ptr [pi]    // 将内存地址 pi 中的数据（pi 的值，即 i 的地址）赋给eax
//009C1821  mov         ecx,dword ptr [eax]   // 将内存地址 eax 中的数据赋给 ecx，ecx 得到 i 的值
//009C1823  mov         dword ptr [j],ecx
  cout << j << endl;
}

int main()
{
  int value = 10;
//008A1908  mov         dword ptr [value],0Ah  // 将 0Ah 赋给内存地址 value 中的数据
  Print(value);
//008A190F  mov         eax,dword ptr [value]  // 将内存地址 value 中的数据赋给 eax
//008A1912  push        eax
//008A1913  call        Print (08A111Dh)  
//008A1918  add         esp,4  
  Print2(value);
//00DB191B  lea         eax,[value]            // 将 value 存储单元的有效地址（偏移地址）传送到 eax。
//00DB191E  push        eax  
//00DB191F  call        Print2 (0DB1082h)  
//00DB1924  add         esp,4 
  Print3(&value);
//009C4317  lea         eax,[value]  
//009C431A  push        eax  
//009C431B  call        Print3 (09C1370h)  
//009C4320  add         esp,4  
  return 0;
}