面试题：C++函数返回常量引用与性能优化

Question

在一个复杂的C++项目中，存在一个频繁调用的函数，其返回值为一个自定义类对象。从性能优化角度考虑，何时选择返回常量引用，何时选择返回值传递？请详细分析其中的优缺点，并给出相应的代码示例。

Answer 1

返回常量引用

• 适用场景：当函数返回的对象是一个已经存在的、不会被函数修改的临时对象，并且该对象的生命周期在函数结束后依然有效时，适合返回常量引用。例如，函数返回类内部的成员变量（前提是该成员变量不会在函数结束后被销毁）。
• 优点：
  • 性能高：避免了对象的拷贝构造，直接返回对象的引用，对于大型对象或拷贝构造开销大的对象，性能提升明显。
  • 避免临时对象创建：不会创建额外的临时对象用于返回值传递。
• 缺点：
  • 生命周期限制：返回的对象必须在函数结束后依然存在。如果返回局部对象的引用，会导致悬空引用，程序运行时会出现未定义行为。
  • 不能修改返回值：由于是常量引用，调用者不能修改返回的对象。
• 代码示例：

class MyClass {
public:
    MyClass() = default;
    MyClass(const MyClass&) { std::cout << "Copy constructor called" << std::endl; }
    ~MyClass() = default;
private:
    int data = 0;
    friend const MyClass& getInstance();
};

const MyClass& getInstance() {
    static MyClass instance;
    return instance;
}

返回值传递

• 适用场景：当函数返回的对象是一个全新创建的对象，且函数结束后该对象不再需要保留其在函数内的状态，调用者需要拥有该对象的独立副本时，适合返回值传递。例如，函数内部创建了一个局部对象并返回。
• 优点：
  • 灵活性高：调用者得到的是一个独立的对象副本，可以自由修改。
  • 不存在生命周期问题：不用担心返回的对象在函数结束后被销毁，因为调用者得到的是新创建的副本。
• 缺点：
  • 性能开销：会调用拷贝构造函数（C++11 引入了移动语义后，在某些情况下可以优化为移动构造），对于大型对象或拷贝构造开销大的对象，性能会受到影响。
  • 创建临时对象：需要创建临时对象用于返回值传递。
• 代码示例：

class MyClass {
public:
    MyClass() = default;
    MyClass(const MyClass&) { std::cout << "Copy constructor called" << std::endl; }
    ~MyClass() = default;
private:
    int data = 0;
};

MyClass createObject() {
    MyClass obj;
    return obj;
}