面试题：C++ 中值传递与引用传递在函数调用开销上的差异

Question

在 C++ 中，简述值传递和引用传递在函数调用时，对于开销方面的不同表现，并举例说明什么时候选择值传递更好，什么时候选择引用传递更好。

Answer 1

值传递和引用传递在开销方面的不同表现

• 值传递：
  • 当函数参数采用值传递时，会在栈上为形参分配内存空间，并将实参的值拷贝到形参的内存空间中。如果传递的是较大的对象，这种拷贝操作会带来较大的开销，包括时间开销（执行拷贝操作的时间）和空间开销（为形参额外分配的内存空间）。
  • 例如，传递一个包含大量成员变量的自定义结构体或类对象时，拷贝操作会比较耗时和占用额外空间。
• 引用传递：
  • 引用传递本质上传递的是实参的地址，在函数调用时，形参只是实参的一个别名，不会为形参重新分配内存空间，也不需要进行拷贝操作。因此，引用传递在传递较大对象时，时间和空间开销都比值传递小很多。

选择值传递更好的情况

• 传递基本数据类型（如 int、char、double 等）：因为基本数据类型的大小通常较小，拷贝操作的开销不大，使用值传递简单直观，代码可读性好。例如：

void increment(int num) {
    num++;
}
int main() {
    int a = 5;
    increment(a);
    return 0;
}

这里传递 int 类型的变量 a，值传递简单高效。

• 需要对参数进行独立修改，不影响实参：当函数需要对传入的参数进行修改，并且希望这种修改不影响调用函数中的实参时，值传递是合适的选择。例如，在排序算法的实现中，如果函数只是对局部的数组副本进行排序而不改变原始数组，使用值传递传递数组参数是可以的（虽然在 C++ 中数组作为参数传递时会退化为指针，但原理类似）。

选择引用传递更好的情况

• 传递大对象（自定义结构体或类对象）：为了避免大对象拷贝带来的高开销，使用引用传递可以显著提高效率。例如：

class BigObject {
public:
    int data[1000];
};
void processObject(BigObject& obj) {
    // 处理对象
}
int main() {
    BigObject bigObj;
    processObject(bigObj);
    return 0;
}

这里传递 BigObject 类型的对象 bigObj，通过引用传递避免了大对象的拷贝。

• 希望函数能修改实参：当函数需要修改调用函数中的实参值时，引用传递是必须的。例如，交换两个变量值的函数：

void swap(int& a, int& b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
int main() {
    int x = 3, y = 5;
    swap(x, y);
    return 0;
}

通过引用传递，函数 swap 可以直接修改调用函数中的变量 x 和 y 的值。