C++ 我应该使用指针还是引用？

Question

我想了解何时应该使用引用或指针。

让我们以 Polygon 类为例，它使用 Rectangle 类作为其内部边界框。

多边形.h

class Polygon {

private:
    std::list<Point> _points;
    Rectangle _boundingBox;

public:
    Polygon(const std::list<Point> &);

public:
    const std::list<Point> &getPoints() const;
    const Rectangle &getBoundingBox() const;

private:
    void setBoundingBox();

};

多边形.cpp

#include <iostream>
#include "Polygon.h"

Polygon::Polygon(const std::list<Point> &points)
{
    if (points.size() < polygon::MIN_SIDE + 1) {
        throw std::invalid_argument("A polygon is composed of at least 3 sides.");
    }

    if (points.front() != points.back()) {
        throw std::invalid_argument("A polygon must be closed therefore the first point must be equal to the last one.");
    }

    std::list<Point>::const_iterator it;
    for (it = ++points.begin(); it != points.end(); ++it) {
        this->_points.push_back(*it);
    }
    this->setBoundingBox();
}

void Polygon::translate(const std::array<float, 2> &vector)
{
    std::list<Point>::iterator it;
    for (it = this->_points.begin(); it != this->_points.end(); ++it) {
        (*it).setX((*it).getX() + vector[0]);
        (*it).setY((*it).getY() + vector[1]);
    }
    Point topLeft = this->_boundingBox->getTopLeft();
    Point bottomRight = this->_boundingBox->getBottomRight();

    topLeft.setX(topLeft.getX() + vector[0]);
    topLeft.setY(topLeft.getY() + vector[1]);
    bottomRight.setX(bottomRight.getX() + vector[0]);
    bottomRight.setY(bottomRight.getY() + vector[1]);
}

const std::list<Point> &Polygon::getPoints() const
{
    return this->_points;
}

const Rectangle &Polygon::getBoundingBox() const
{
    return this->_boundingBox;
}

void Polygon::setBoundingBox()
{
    float xMin = this->_points.front().getX();
    float xMax = this->_points.front().getX();
    float yMin = this->_points.front().getY();
    float yMax = this->_points.front().getY();

    std::list<Point>::const_iterator it;
    for (it = this->_points.begin(); it != this->_points.end(); ++it)
    {
        Point point = *it;
        if (point.getX() < xMin) {
            xMin = point.getX();
        }
        if (point.getX() > xMax) {
            xMax = point.getX();
        }
        if (point.getY() < yMin) {
            yMin = point.getY();
        }
        if (point.getY() > yMax) {
            yMax = point.getY();
        }
    }
    this->_boundingBox = new Rectangle(Point(xMin, yMin), Point(xMax, yMax));
}

std::ostream &operator<<(std::ostream &out, const Polygon &polygon)
{
    std::list<Point>::const_iterator it;

    for (it = polygon.getPoints().begin(); it != polygon.getPoints().end(); ++it) {
        out << (*it);
        if (it != polygon.getPoints().end()) {
            out << " ";
        }
    }
    return out;
}

矩形.h

#pragma once

#include <stdexcept>

#include "Point.h"

class Rectangle {

private:
    Point _topLeft;
    Point _bottomRight;

public:
    Rectangle(const Point &, const Point &);

public:
    const Point &getTopLeft() const;
    const Point &getBottomRight() const;
    float getWidth() const;
    float getHeight() const;
};

矩形.cpp

#include "Rectangle.h"

Rectangle::Rectangle(const Point &topLeft, const Point &bottomRight)
{
    if (topLeft.getX() > bottomRight.getX() || topLeft.getY() > bottomRight.getY()) {
        throw std::invalid_argument("You must specify valid top-left/bottom-right points");
    }
    this->_topLeft = topLeft;
    this->_bottomRight = bottomRight;
}

const Point &Rectangle::getTopLeft() const
{
    return this->_topLeft;
}

const Point &Rectangle::getBottomRight() const
{
    return this->_bottomRight;
}

float Rectangle::getWidth() const
{
    return this->_bottomRight.getX() - this->_topLeft.getX();
}

float Rectangle::getHeight() const
{
    return this->_bottomRight.getY() - this->_topLeft.getY();
}

点.h

#pragma once

#include <ostream>
#include <cmath>

class Point {

private:
    float _x;
    float _y;

public:
    Point(float = 0, float = 0);

public:
    float distance(const Point &);

public:
    float getX() const;
    float getY() const;
    void setX(float);
    void setY(float);
};

std::ostream &operator<<(std::ostream &, const Point &);
bool operator==(const Point &, const Point &);
bool operator!=(const Point &, const Point &);

Point.cpp

#include "Point.h"

Point::Point(float x, float y)
{
    this->_x = x;
    this->_y = y;
}

float Point::distance(const Point &other)
{
    return std::sqrt(std::pow(this->_x - other.getX(), 2) + std::pow(this->_y - other.getY(), 2));
}

float Point::getX() const
{
    return this->_x;
}

float Point::getY() const
{
    return this->_y;
}

void Point::setX(float x)
{
    this->_x = x;
}

void Point::setY(float y)
{
    this->_y = y;
}

std::ostream &operator<<(std::ostream &out, const Point &point)
{
    out << "(" << point.getX() << ", " << point.getY() << ")";
    return out;
}

bool operator==(const Point &p1, const Point &p2)
{
    return p1.getX() == p2.getX() && p1.getY() == p2.getY();
}

bool operator!=(const Point &p1, const Point &p2)
{
    return p1.getX() != p2.getX() || p1.getY() != p2.getY();
}

这个sn-p代码带来了很多问题。

• 这不会编译，因为很明显，每当我们尝试创建 Polygon 时，它最终都会尝试使用不存在的默认构造函数创建 Rectangle。
• 我不能使用初始化列表，因为显然边界框取决于我的点列表中的一些计算值。
• 我可以创建一个默认构造函数，默认为 Rectangle 创建两个 Point(0, 0)，但这没有多大意义。
• 我可以使用指针，但我觉得这不是最好的解决方案，因为我倾向于认为这主要用于 C++ 中的多态性，我们应该尽可能选择引用。

我应该如何继续？

我觉得我错过了关于 C++ 的一些东西，并且可以从中学到很多东西。

Answer 1

我认为您的主要问题是关于如何处理需要初始化std::list<Point> _points; 和Rectangle _boundingBox; 的问题，同时还要对_points 进行一些验证。

最简单的解决方案是只给Rectangle 一个默认构造函数（或传递两个默认点作为初始值设定项）。然后，一旦您在构造函数中验证了 points 参数，就可以根据这些点计算 Rectangle。

---

一个稍微复杂的替代方法是允许从 ctor-initializer 列表中调用验证函数，例如：

Polygon::Polygon(std::list<Point> points)
    : _points( validate_point_list(points), std::move(points) ), _boundingBox( calculateBoundingBox(_points) ) 
{
}

你有函数的地方（可能是免费函数）：

void validate_point_list(std::list<Point> &points)
{
    if (points.size() < polygon::MIN_SIDE + 1)
        throw std::invalid_argument("A polygon is composed of at least 3 sides.");

    if (points.front() != points.back())
        throw std::invalid_argument("A polygon must be closed therefore the first point must be equal to the last one.");

// caller must pass in same first and last point, but we only store one of the two
    points.erase( points.begin() );
}

和

Rectangle calculateBoundingBox(std::list<Point> const &_points)
{
    // whatever logic you have in setBoundingBox, except return the answer
}

请注意，Polygon 构造函数中的循环过于复杂。您可以只写 _points = points; 然后删除额外的点（对于列表来说是 O(1)）。

---

注意我是按值传递的，然后使用std::move。原因是，如果给定的参数是一个右值，那么它可以直接移动到它的存储位置；而在const & 版本中，会存储一个副本，然后销毁原始版本。

我会使用const & 比你少很多。小对象，例如Point 和Rectangle，不会因按值传递而受到性能损失（甚至可能更有效）。如上一段所述；如果您的函数接受一个参数并且它将获取该参数的副本，则最好按 value 传递。

仅当您使用但不存储传递的值时，最好通过引用传递。例如，calculateBoundingBox。

---

最后，一旦你得到这个工作，你可能想要考虑让 Polygon 构造函数接受一个迭代器对点范围，和/或一个std::initializer_list。

Answer 2

我会将Rectangle 类的默认构造函数定义为私有，并且我会让Polygon 类成为Rectangle 类的朋友：

class Rectangle {
  friend class Polygon;

  Point _topLeft;
  Point _bottomRight;

  Rectangle(); // accessible only to friends

  public:

  Rectangle(Point const&, Point const&);
  ...
};

然后在setBoundingBox():

void Polygon::setBoundingBox() {
  ...
  _boundingBox._topLeft     = Point(xMin, yMin);
  _boundingBox._bottomRight = Point(xMax, yMax);
}

因此，我不会公开Rectangle 的默认构造函数，同时我会拥有一个在缓存性能方面更高效的具体对象。

Answer 3

我觉得你应该有一个名为 BoundingBox 的单独类 1) 在其构造函数中获取点的集合 2) 继承自 Rectangle

同时，矩形应该有一个状态，沿着 NOT_A_RECTANGLE 的行，否则它可能会抛出异常。只需确保在从构造函数抛出异常时进行清理。

然后您将构建边界框作为多边形构造的一部分，并且您可以验证边界框是否可以作为错误检查的一部分。 （可能不是 3 面检查，但我不是几何专家）

BoundingBox 仍然是 Polygon 的成员。

这将是更多的 RTTI。

但我突然想到，如果你平移或旋转多边形，你也会平移或旋转边界框。您可能需要考虑将点列表作为自己的对象并共享它们。这将是一个更高级的话题。现在，您只需重新计算对多边形执行的操作的边界框即可。

至于是使用引用、指针还是传值，我不知道这有一个黑白清单要考虑，但有几个是：

对象是否足够大，甚至可以担心它？一个矩形是4个浮点数？

是否需要转换为接口或基类，而不是始终使用类本身？如果是这样，您别无选择，只能使用某种指针。根据情况，指针可以是唯一的、共享的、弱的等。您必须问自己谁拥有它，生命周期是多少，是否有循环引用？

大多数人可能会尽可能使用引用而不是指针，但仅当按值传递不符合条件时。

IMO，由于您只是“GetBoundingBox”，我认为仅按值返回边界框的副本而不是一些 const 引用并且绝对比指针更简单且更易于维护。

Answer 4

一种解决方案是为 Rectangle 编写一个程序化构造函数，将 const std::list<Point>& 作为其参数。它可以遍历列表一次，计算最大值和最小值 x 和 y。然后，您的 Polygon 构造函数将变为：

Polygon::Polygon(const std::list<Point> &points)
: _points(points),
: _boundingBox(points)
{
  // ...
}

另一种方法是将代码从点列表中查找边界框移动到辅助函数，然后定义移动构造函数Rectangle::Rectangle( Rectangle&& x )。在这种情况下，您的 Polygon 构造函数将是：

Polygon::Polygon(const std::list<Point> &points)
: _points(points),
: _boundingBox( findBoundingBox(points) )
{
  // ...
}

无论哪种方式，您都可以使用赋值更新边界框，因此您可能需要像 Rectangle& Rectangle::operator= ( Rectangle&& x ) 这样的赋值运算符来提高效率。如果 Rectangle 只是普通旧数据，您可以跳过 Rectangle&& 版本。但是，如果您经常这样做，您可能会超载 Rectangle& findBoundingBox( const std::list<Point>& src, Rectangle& dest ) 以在不复制的情况下进行更新。

顺便说一句，我不鼓励您使用以下划线开头的标识符，因为这些名称在 C++ 的全局命名空间中保留，并且您的库可能会声明名为 _point 的东西。