如何从（通常）返回引用（对成员数据）的成员函数返回常量

Question

我正在为下/上三角矩阵（doubles）编写一个类。通过利用n*n 三角矩阵只有n*(n + 1)/2 [可能非零] 元素这一事实，我在内部仅在平面数组成员中存储了该数量的元素。

首先，我有一个“正常”（即密集）矩阵的基类，operator() 作为下标运算符，它采用行索引和列索引：

class Matrix {
public:
    // [...]
    virtual const double &operator()(unsigned i, unsigned j);
    virtual double &operator()(unsigned i, unsigned j);
    // [...]

private:
    std::valarray<double> data_;
    std::size_t size_;
}

// [...]
const double &Matrix::operator()(unsigned i, unsigned j) {
    return data_[size_*i + j];
}

对于三角矩阵（以后我以下三角矩阵为例），为了提供与正则矩阵相同的接口，我需要实现一个稍微不同的下标运算符：

const double &LowerTriangular::operator()(unsigned i, unsigned j) const override {
    return data_[i*(i + 1)/2 + j];
}

上面的操作符并不完整，因为如果有人要求输入在对角线右侧（但仍在理论矩阵内）的条目，则会返回另一个（不相关的）元素，但应该返回 0 .

由于引用不能绑定到局部变量，我不能只是return 0。那么，我该如何实现呢？

我只能想出一个局部静态变量：

const double &LowerTriangular::operator()(unsigned i, unsigned j) const override {
    static const double zero = 0;
    if (j > i) return zero;
    return data_[i*(i + 1)/2 + j];
}

我可以让函数按值返回，但是非常量版本（当调用者实际需要修改内容时）呢？如何确保调用者不修改 zero 静态变量？这可行，但有点难看：

const double &LowerTriangular::operator()(unsigned i, unsigned j) const override {
    static double zero = 0;
    if (j > i) return zero = 0;  // kind of ugly but works
    return data_[i*(i + 1)/2 + j];
}

double &LowerTriangular::operator()(unsigned i, unsigned j) override {
    return const_cast<double &>( const_cast<const LowerTriangular &>(*this)(i, j) );
}

那么最好的解决方案是什么？

Answer 1

当你通过常量引用返回时：

在这种情况下，基本类型（double 而不是 const double&。

当你通过非常量引用返回时：

如果访问越界，您可以检查边界并抛出异常，或者像 std::vector::operator[] 等许多标准函数：如果访问越界，则这是未定义的行为。只需将其记录下来，以便您的函数的用户知道他必须检查自己。

请注意，重载可以有不同的返回类型，因此您可以在 const 情况下按值返回，在非 const 情况下按引用返回。

如果在矩阵的空半部分访问，您还可以在类的字段中存储“零”并返回对它的引用。 您必须在返回引用之前将其设置为零，以防恶意用户同时更改它。

Answer 2

您选择的优化与您提供的界面冲突。

一种方法可能是不返回引用，而是像引用一样的透明包装器。类似于std::vector::<bool>::reference 的东西。一个例子：

struct Reference {
    double* element;

    operator double() const {
         return element
             ? *element
             : 0;
    }
    Reference& operator=(double d) {
        if (!element)
            throw std::out_of_range("Cannot modify right side of diagnoal");
        *element = d;
        return *this;
    }
};

const Reference
LowerTriangular::operator()(unsigned i, unsigned j) const {
    return {
        j > i
            ? nullptr
            : data_ + i*(i + 1)/2 + j
    };
}

Reference
LowerTriangular::operator()(unsigned i, unsigned j) {
    return {
        j > i
            ? nullptr
            : data_ + i*(i + 1)/2 + j
    };
}

这确实与std::vector::<bool>::reference 有相同的警告，即获取引用的地址不会给你指向双对象的指针。这可能是重载operator& 有意义的少数情况之一。但是，当 API 的用户知道包装器并且确实想要包装器的地址时，这也可能与直觉相反。

您可以指定尝试修改对角线右侧是未定义行为，而不是抛出。