Item 21: Don't try to return a reference when you must return an object

Item 20 中提到，多数情况下传引用比传值更好。追求这一点是好的，但千万别返回空的引用或指针。 一个典型的场景如下：

class Rational{
  int n, d;
public:
  Raitonal(int numerator=0, int denominator=1);
};

// 返回值为什么是const请参考Item 3
friend const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs);

Rational a, b;
Rational c = a*b;

Update：C11 move 语义为这种情况提供了更好的支持，参考 https://harttle.land/2015/10/11/cpp11-rvalue.html 感谢 Enyala 的评论。

注意operator*返回的是Rational实例，a*b时便会调用operator*()， 返回值被拷贝后用来初始化c。这个过程涉及到多个构造和析构过程：

  1. 函数调用结束前，返回值被拷贝，调用拷贝构造函数
  2. 函数调用结束后，返回值被析构
  3. c被初始化，调用拷贝构造函数
  4. c被初始化后，返回值的副本被析构

我们能否通过传递引用的方式来避免这些函数调用？这要求在函数中创建那个要被返回给调用者的对象，而函数只有两种办法来创建对象：在栈空间中创建、或者在堆中创建。在栈空间中创建显然是错误的：

const Rational& operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs){
  Rational result(lhs.n*rhs.n, lhs.d*rhs.d);
  return result;
}

客户得到的result永远是空。因为引用只是一个名称，当函数调用结束后result即被销毁。 它返回的是一个ex-result的引用。那么在堆中创建会是怎样的结果？

const Rational& operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs){
  Rational *result  = new Rational(lhs.n*rhs.n, lhs.d*rhs.d);
  return *result;
}

问题又来了，既然是new的对象，那么谁来delete呢？比如下面的客户代码：

Rational w, x, y, z;
w = x*y*z;

上面这样合理的代码都会导致内存泄露，那么operator*的实现显然不够合理。此时你可能想到用静态变量来存储返回值，也可以避免返回值被再次构造。但静态变量首先便面临着线程安全问题，除此之外当客户需要不止一个的返回值同时存在时也会产生问题：

if((a*b) == (c*d)){
  // ...
}

如果operator*的返回值是静态变量，那么上述条件判断恒成立，因为等号两边是同一个对象嘛。如果你又想到用一个静态变量的数组来存储返回值，那么我便无力吐槽了。。。

挣扎了这许多，我们还是返回一个对象吧：

inline const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs){
  return Rational(lhs.n*rhs.n, lhs.d*rhs.d);
}

事实上拷贝构造返回值带来的代价没那么高，C++标准允许编译器做出一些客户不可察觉(without changing observable behavior)的优化。在很多情况下，返回值并未被析构和拷贝构造。

永远不要返回局部对象的引用或指针或堆空间的指针，如果客户需要多个返回对象时也不能是局部静态对象的指针或引用。 Item 4：确保变量的初始化指出，对于单例模式，返回局部静态对象的引用也是合理的。

本文采用 知识共享署名 4.0 国际许可协议（CC-BY 4.0）进行许可，转载注明来源即可： https://harttle.land/2015/08/18/effective-cpp-21.html。如有疏漏、谬误、侵权请通过评论或 邮件 指出。