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Topos Uranos
中文 (中国)

参数与作用域

摘要

本课研究数据经由哪些途径进入函数、函数的结果又经由哪些途径出来。默认情况下，C++ 按值传递实参：形参是一个副本，函数对它所做的一切都不会影响原件。引用则不同，它是一个已经存在的存储单元的第二个名字，能让函数修改调用者的变量；常量引用则能在不复制、也不能改动的情况下读取一份大的数据。为了返回多个结果，标准库提供了 std::pair 和 std::tuple，用结构化绑定来接收它们。接下来是名字的作用域（在哪里可见）和变量的生存期（何时存在），以及名字的遮蔽和 static 局部变量；最后讨论比它所引用的变量活得更久的引用。统一这一切的概念是程序各部分之间的数据流：复制与共享的对比，以及作为隔离机制的名字可见性。

学习目标

  1. 根据实参是按值传递还是按引用传递，预测函数对实参的作用。
  2. 为每个形参选择传递方式（小类型按值，大数据按常量引用，要修改的按引用），并说明选择的理由。
  3. 用 std::pair 或 std::tuple 返回多个结果，并用结构化绑定接收它们。
  4. 确定程序中每个变量的作用域和生存期，包括 static 局部变量和被另一个变量遮蔽的变量。
  5. 识别指向已不存在的局部变量或临时值的引用，以及预告它的编译器警告，并加以改正。

按值传递

形参是一个副本

函数一课说明了，每次调用都会在栈上创建一个栈帧，其中有函数的形参和局部变量，返回时栈帧随之消失。还需要弄清楚的是，形参和初始化它的实参之间是什么关系。C++ 的默认答案是最简单的：形参是一个新的局部变量，用实参值的一个副本来初始化。如果是这样，修改自己形参的函数修改的只是它的副本，调用者的变量不会改变。下面的程序用一个试图交换两个整数的函数来检验这一点。

C++ 程序
#include <print>​// 试图交换 a 和 b；只交换了它们的副本。void swapValues(int a, int b){    const int saved{a};    a = b;    b = saved;    std::println("调用中：a = {}, b = {}", a, b);}​int main(){    int x{1};    int y{2};    swapValues(x, y);    std::println("调用后：x = {}, y = {}", x, y);}
输出
调用中：a = 2, b = 1调用后：x = 1, y = 2

在函数内部，交换做得正确；调用之后，x 和 y 保持原值。编译器不发出警告，因为没有什么可警告的：这段代码交换的是两个局部变量，它们在函数结束时就消失了。图中跟踪了调用期间栈上的各个栈帧。

例题两个栈帧，四个存储单元

main 的栈帧包含 x 和 y；调用在它上面创建 swapValues 的栈帧，带有自己的存储单元。

证明

  1. 调用之前，main 的栈帧有两个存储单元：存放 1 的 x 和存放 2 的 y。

  2. 调用创建 swapValues 的栈帧。它的形参 a 和 b 是新的存储单元，实参的值被复制到其中：1 和 2。从这一刻起，a 与 x 之间除了初值相同之外，再没有任何联系。

  3. 局部变量 saved 在同一个栈帧中创建，保存 a 的一个副本。

  4. 两次赋值交换了 a 和 b。发生变化的存储单元全都在上面那个栈帧里；main 的存储单元没有被触及。

  5. 返回时，swapValues 的栈帧连同其中所做的交换整个消失。x 和 y 仍然是 1 和 2。

副本保护了什么

按值传递不是缺陷，而是使函数变得合理的规则。第一，实参可以是任何表达式，而不只是变量：swapValues(x + 1, 7) 是合法的，因为形参是用一个值初始化的，不论这个值从何而来。第二，调用者不必阅读函数体，仅凭声明就知道自己的变量不会改变。第三，在函数内部，形参只是又一个局部变量，可以用作工作变量，而不会在外面造成后果。

C++ 程序
#include <print>​// n 的十进制位数。// 前置条件：n >= 0。// 后置条件：返回 n 的位数（0 为 1 位）。int digitCount(int n){    int count{1};    while (n >= 10) {        n = n / 10;        ++count;    }    return count;}​int main(){    const int population{48'210};    std::println("{} 有 {} 位数字", population, digitCount(population));}
输出
48210 有 5 位数字

函数不断把形参除以 10，直到只剩一位，从而毁掉了它；由于这是一个副本，population 毫发无损，并且可以是 const。由此得出一条适用于整门课程的阅读规则：如果一个形参没有后面一节将要研究的符号 &，那么不论函数对它做什么，都不能修改调用者的变量。