Clean C++: 為"按值傳遞"正名

在C++98中椒涯，按值傳遞(pass-by-value)意味著低效的、不必要的拷貝回梧，被廣大程序員嗤之以鼻废岂。按照慣例，對于自定義類型狱意，如果用于入?yún)t應(yīng)使用pass-by-const-reference湖苞；如果用于出參則應(yīng)pass-by-reference。

在缺失移動語義(move semantics)下的C++98標(biāo)準(zhǔn)详囤，這樣的結(jié)論無可厚非财骨。但是，在增加移動語義(move semantics)下的C++11標(biāo)準(zhǔn)藏姐，按值傳遞在某些特殊場景具有優(yōu)異的表現(xiàn)力隆箩，是時候為"按值傳遞"正名了。

一個例子

存在兩個使用std::function定義的「仿函數(shù)」羔杨。其中捌臊，std::function的泛型參數(shù)使用函數(shù)的原型表達(dá)。例如std::function<bool(int)>的泛型參數(shù)是一個一元的謂詞兜材。

#include <string>
#include <functional>

using Matcher = std::function<bool(int)>;
using Action = std::function<std::string(int)>;

C++98風(fēng)格

存在一個Atom的函數(shù)對象理澎。按照既有的C++98的習(xí)慣，使用pass-by-const-reference傳遞參數(shù)护姆，然后將它們拷貝至私有數(shù)據(jù)區(qū)矾端。此時必然調(diào)用std::function的「拷貝構(gòu)造函數(shù)」。

struct Atom {
  Atom(const Matcher& matcher, const Action& action)
    : matcher(matcher), action(action) {
  }
  
  std::string operator()(int m) const {
    return matcher(m) ? action(m) : "";
  }
  
private:
  Matcher matcher;
  Action action;
};

可是卵皂，當(dāng)傳遞給Atom構(gòu)造函數(shù)的是「右值」時秩铆，我們期望調(diào)用「移動構(gòu)造函數(shù)」，而非「拷貝構(gòu)造函數(shù)」；因為對于std::function殴玛，移動構(gòu)造相對拷貝構(gòu)造更加低廉捅膘。一般地，針對這個問題滚粟，存在3種解決方案寻仗，我們逐一分析。

重載函數(shù)

使用重載的構(gòu)造函數(shù)凡壤，可以準(zhǔn)確的根據(jù)左值或右值實現(xiàn)函數(shù)指派署尤。但是，為了支持兩個參數(shù)的重載亚侠，便要實現(xiàn)4個重載的構(gòu)造函數(shù)曹体，可謂得不償失。組合爆炸是一種典型的設(shè)計缺陷硝烂，為了提升程序性能箕别，該方案所付出的成本相當(dāng)昂貴。

struct Atom {
  Atom(const Matcher& matcher, const Action& action)
    : matcher(matcher), action(action) {
  }
  
  Atom(const Matcher& matcher, Action&& action)
    : matcher(matcher), action(std::move(action)) {
  }
  
  Atom(Matcher&& matcher, const Action& action)
    : matcher(std::move(matcher)), action(action) {
  }

  Atom(Matcher&& matcher, Action&& action)
    : matcher(std::move(matcher)), action(std::move(action)) {
  }
  
  std::string operator()(int m) const {
    return matcher(m) ? action(m) : "";
  }
  
private:
  Matcher matcher;
  Action action;
};

成本分析

當(dāng)傳遞左值滞谢，存在一次「拷貝構(gòu)造」串稀；當(dāng)傳遞右值，存在一次「移動構(gòu)造」。但是，存在不可接受的組合爆炸的問題蹋订。

透傳引用

「透傳引用(Forward Reference)」是C++11實現(xiàn)「完美轉(zhuǎn)換(Perfect Forward)」機(jī)制而引入的一個概念。使用「透傳引用」可以合并上述4個構(gòu)造函數(shù)微酬，實現(xiàn)左值和右值的透明傳遞和分發(fā)。但是颤陶，使用「透傳引用」引入了泛型設(shè)計，其實現(xiàn)必須放到頭文件陷遮，增加了編譯時依賴的成本滓走，極大地增加了實現(xiàn)的復(fù)雜度。而且帽馋，因為模板而導(dǎo)致代碼膨脹的問題搅方，相對上述重載方案其目標(biāo)代碼規(guī)模并沒有得到改善，甚至更糟绽族。此外姨涡，鑒于「完美轉(zhuǎn)換」并非100%的完美，當(dāng)客戶傳遞不正確的類型時吧慢，編譯器的錯誤信息相當(dāng)冗長涛漂。

struct Atom {
  template <typename Matcher, typename Action>
  Atom(Matcher&& matcher, Action&& action)
    : matcher(std::forward<Matcher>(matcher))
    , action(std::forward<Action>(action)) {
  }
  
  std::string operator()(int m) const {
    return matcher(m) ? action(m) : "";
  }
  
private:
  Matcher matcher;
  Action action;
};

成本分析

當(dāng)傳遞左值，存在一次「拷貝構(gòu)造」；當(dāng)傳遞右值匈仗，存在一次「移動構(gòu)造」瓢剿。避免了組合爆炸的問題，但引入了模板的復(fù)雜度悠轩，及其代碼膨脹的問題间狂。但是，相對重載方法火架，代碼實現(xiàn)更加簡潔鉴象，更加緊湊。

按值傳遞

考慮使用pass-by-value的方式傳遞Matcher和Action何鸡，不僅實現(xiàn)簡單纺弊，天然支持左值或右值，而且成本在接受的范圍之內(nèi)音比。

struct Atom {
  Atom(Matcher matcher, Action action)
    : matcher(std::move(matcher))
    , action(std::move(action)) {
  }
  
  std::string operator()(int m) const {
    return matcher(m) ? action(m) : "";
  }
  
private:
  Matcher matcher;
  Action action;
};

成本分析

當(dāng)傳遞左值俭尖，存在一次「拷貝構(gòu)造」，及其一次「移動構(gòu)造」洞翩；當(dāng)傳遞右值稽犁，存在兩次次「移動構(gòu)造」。相對上兩個方案骚亿，兩種場景其成本均多了一次低廉的「移動構(gòu)造」已亥。但是，該方案完全避免了組合爆炸的問題来屠，及其模板的復(fù)雜度虑椎，代碼最為簡潔。

何時按值傳遞

綜上述俱笛，可以歸納如下條件捆姜，可以考慮使用「按值傳遞」的方法。

產(chǎn)生副本迎膜；
類型可拷貝泥技；
移動成本低廉。

例如磕仅，上述的函數(shù)對象Atom珊豹，完全滿足上述必要條件。

產(chǎn)生副本：通過「拷貝構(gòu)造」或「移動構(gòu)造」榕订，產(chǎn)生私有的matcher和action副本店茶；
類型可拷貝：std::function類型可拷貝。
移動成本低廉：std::function的移動構(gòu)造的成本非常低廉劫恒。

在Lambda中的應(yīng)用

事實上贩幻，C++98風(fēng)格的函數(shù)對象，都可以使用Lambda簡化實現(xiàn)。例如段直，原來的函數(shù)對象Atom實現(xiàn)吃溅，可以使用更為簡潔的Lambda表達(dá)式實現(xiàn)。

using Rule = std::function<std::string(int)>;

Rule atom(Matcher matcher, Action action) {
  return [matcher, action](int m) {
    return matcher(m) : action(m) : "";
  };
}

但是鸯檬，在Lambda表達(dá)式的「參數(shù)捕獲列表」中决侈，matcher, action是按值傳遞給閉包對象的，此時調(diào)用的是std::function的「拷貝構(gòu)造函數(shù)」喧务。幸運的是赖歌，C++14支持以初始化的方式將對象移動至閉包之中，彌補(bǔ)了這個遺憾功茴。

using Rule = std::function<std::string(int)>;

Rule atom(Matcher matcher, Action action) {
  return [matcher = std::move(matcher), action = std::move(action)](int m) {
    return matcher(m) : action(m) : "";
  };
}