引用限定符
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注
这是一节选修课。建议您稍微通读一下，熟悉相关内容即可；继续学习后续课程不需要完全理解这里。
前面学习返回数据成员引用的成员函数时，我们讨论过：当隐式对象是右值时，返回数据成员的引用是危险的。下面简要回顾一下：
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#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>
class Employee
{
private:
std::string m_name{};
public:
Employee(std::string_view name): m_name { name } {}
const std::string& getName() const { return m_name; } // 返回 const 引用
};
// createEmployee() 按值返回一个 Employee (意味着返回的是一个右值)
Employee createEmployee(std::string_view name)
{
Employee e { name };
return e;
}
int main()
{
// Case 1: okay: 在同一个表达式中使用右值的成员的引用
std::cout << createEmployee("Frank").getName() << '\n';
// Case 2: 有问题: 保存右值返回的成员的引用，稍后使用
const std::string& ref { createEmployee("Garbo").getName() }; // 悬空引用，createEmployee() 创建的临时对象已经被销毁
std::cout << ref << '\n'; // 未定义的行为
return 0;
}
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在案例2中，从createEmployee(“Garbo”) 返回的右值对象会在初始化ref后被销毁，使ref引用到刚刚被销毁的数据成员。之后继续使用ref会造成未定义行为。
这个问题有些棘手。
- 如果getName()函数按值返回，会生成昂贵且不必要的副本。
- 如果getName()函数通过常量引用返回，则效率很高（因为不会生成std::string的副本），但当调用对象是右值时，可能会被误用（导致未定义行为）。
由于成员函数通常在左值对象上调用，因此传统做法是通过常量引用返回，并在隐式对象是右值时避免误用返回的引用。
引用限定符
上述挑战的根源在于，我们希望一个函数服务于两种不同情况：一种是隐式对象为左值，另一种是隐式对象为右值。适合一种情况的最佳方案，对另一种情况可能并不理想。
为了解决这类问题，C++11引入了一个鲜为人知的特性，称为引用限定符。它允许根据成员函数是在左值对象还是右值对象上调用来进行重载。使用这个特性，可以创建getName()的两个版本：一个用于对象是左值的情况，另一个用于对象是右值的情况。
首先，从getName() 的非引用限定版本开始：
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std::string& getName() const { return m_name; } // 在左值和右值对象上均可调用
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为了给此函数添加引用限定，可以将「&」限定符加到只匹配左值对象的重载中，并将「&&」限定符加到只匹配右值对象的重载中：
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const std::string& getName() const & { return m_name; } // & 限定只匹配左值隐式对象, 按引用返回
std::string getName() const && { return m_name; } // && 限定只匹配右值隐式对象, 按值返回
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因为这些函数是不同的重载，所以它们可以拥有不同的返回类型！左值限定重载通过常量引用返回，而右值限定重载通过值返回。
下面是完整示例：
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#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>
class Employee
{
private:
std::string m_name{};
public:
Employee(std::string_view name): m_name { name } {}
const std::string& getName() const & { return m_name; } // & 限定只匹配左值隐式对象, 按引用返回
std::string getName() const && { return m_name; } // && 限定只匹配右值隐式对象, 按值返回
};
// createEmployee() 按值返回一个 Employee (意味着返回的是一个右值)
Employee createEmployee(std::string_view name)
{
Employee e { name };
return e;
}
int main()
{
Employee joe { "Joe" };
std::cout << joe.getName() << '\n'; // Joe 是 左值, 调用的是 std::string& getName() & (返回引用)
std::cout << createEmployee("Frank").getName() << '\n'; // Frank 是 右值, 调用的是 std::string getName() && (返回拷贝)
return 0;
}
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这允许我们在隐式对象是左值时保持高效率，而在隐式对象是右值时保证安全。
对于高级读者
当隐式对象是非常量临时对象时，从性能角度来看，上面getName()的右值重载可能不是最优的。在这种情况下，隐式对象无论如何都会在表达式末尾销毁。因此，可以让它尝试移动成员（使用std::move），而不是返回成员副本（这可能很昂贵）。
这可以通过为非常量右值添加以下getter重载来实现：
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// 如果隐式对象是 非 const 右值, 使用 std::move 去尝试移动 m_name
std::string getName() && { return std::move(m_name); }
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它既可以与const 右值 getter共存，也可以直接单独使用（因为const 右值相当少见）。
std::move将在之后的课程介绍。
关于引用限定成员函数的一些注释
首先，对于给定函数，非引用限定重载和引用限定重载不能共存。只能使用其中一种。
其次，如果仅提供左值限定重载（即未定义右值限定版本），则任何使用右值隐式对象调用该函数的代码都会导致编译错误。这提供了一种有用的方法，可以完全防止函数与右值隐式对象一起使用。
那么，为什么不建议使用引用限定符呢？
虽然引用限定符有用，但以这种方式使用它们也有一些缺点。
- 向每个返回引用的getter添加右值重载会增加类的混乱度，而它只是为了解决不常见的情况；通过良好的使用习惯通常很容易避免这类问题。
- 右值重载按值返回意味着必须支付复制（或移动）的成本，即使在可以安全使用引用的情况下也是如此（例如本课开头示例中的情况1）。
此外：
- 大多数C++开发人员都不知道该功能（这可能会导致错误或使用效率低下）。
- 标准库通常不使用此功能。
基于以上所有原因，不建议将引用限定符作为最佳实践。相反，建议始终立即使用访问函数的结果，而不要保存返回的引用供以后使用。
