C++应该使用指针还是引用

Question

我想深入了解何时应该使用引用或指针。

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

Polygon.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();
};

Polygon.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();
}

这段代码带来了很多问题。

• 这不会编译，因为很明显，每当我们尝试创建多边形时，它最终都会尝试创建一个不存在默认构造函数的矩形
• 我不能使用初始值设定项列表，因为很明显，边界框依赖于我的点列表中的一些计算值
• 我可以创建一个默认的构造函数，默认情况下为矩形创建两个点（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，我们应该尽可能喜欢引用

那么我该如何继续？

我觉得我错过了一些关于C++的东西，可以从中学到很多。

Answer 1

我认为您的主要问题是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（或者传递两个默认点作为初始值设定项）。然后，一旦在构造函数中验证了points参数，就可以根据这些点计算Rectangle。

---

一个稍微复杂一点的替代方案是允许从ctor初始值设定项列表调用验证函数，例如：

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

你有功能的地方（可以是免费功能）：

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构造函数中的循环是不必要的复杂。您可以只写_points = points;，然后擦除额外的点（对于列表，它是O（1））。

---

请注意，我已经传递了值，然后使用了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存储位置；而对于const &版本，存储一个副本，然后销毁原始副本。

我会比你少用很多const &。小型对象，如Point和Rectangle，不会因传递值而受到性能损失（这样可能更高效）。如前一段所述；如果您的函数接受一个参数，并且它将获取该参数的副本，那么最好通过值传递。

只有在使用而不是存储传递的值时，通过引用传递才是最好的。例如，calculateBoundingBox。

---

最后，一旦您完成了这项工作，您可能需要考虑让Polygon构造函数接受点范围的迭代器对和/或std::initializer_list。

Answer 2

我会将Rectangle类的默认构造函数定义为private，并使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():中

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，同时我会有一个在缓存性能方面更高效的具体对象。

Answer 3

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

同时，Rectangle应该有一个状态，沿着NOT_a_Rectangle的行，否则它可能会引发异常。只要确保在从构造函数抛出异常时进行清理即可。

然后，您将构造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。（可能不是三面检查，但我不是几何专家）

BoundingBox将保留为多边形的成员。

这将是更多的RTTI。

但我突然想到，如果平移或旋转多边形，也必须平移或旋转边界框。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、指针还是传递值，我不知道有一个黑白列表需要考虑，但有几个是：

这个物体大到可以担心吗？一个矩形是4个浮动？

是否有接口或基类需要强制转换，而不是总是使用类本身？如果是这样的话，你别无选择，只能使用某种指针。根据情况，指针可以是唯一的、共享的、弱的等等。你必须问问自己是谁拥有它，生命的时间是什么，有循环参考吗？

大多数人可能会尽可能使用引用而不是指针，但只有在传递值不合格时才使用。

IMO，因为你只是"GetBoundingBox"，我认为只按值返回一个边界框的副本，而不是一些常量引用，当然也不仅仅是一个指针，会更简单，更容易维护。

Answer 4

一种解决方案是为Rectangle编写一个以const std::list<Point>&为参数的程序构造函数。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)
{
  // ...
}

另一种选择是将代码从点列表移动到辅助函数，以找到边界框，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，则可以跳过Rectangle&&版本。但是，如果您经常这样做，您可能会重载Rectangle& findBoundingBox( const std::list<Point>& src, Rectangle& dest )以在不复制的情况下就地更新。

顺便说一句，我建议您不要使用以下划线开头的标识符，因为这些名称是在C++的全局命名空间中保留的，并且您的库可能会声明名为_point的东西。