Effective C++ 條款 21：必須返回對象時，絕不返回 reference — 完整論證

核心法則

當函數必須返回一個新對象時，請直接按值返回，絕不返回 reference 或 pointer 指向局部/靜態/堆對象。

三種錯誤嘗試及其致命缺陷

1. 返回局部對象的 reference

const Rational& operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs) {
    Rational result(lhs.n * rhs.n, lhs.d * rhs.d);
    return result;  // 錯誤！result 生命週期結束，返回懸空引用
}

結果：未定義行為，調用者訪問已銷毀對象。

2. 返回 heap 對象的 reference

const Rational& operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs) {
    Rational* result = new Rational(lhs.n * rhs.n, lhs.d * rhs.d);
    return *result;  // 誰負責 delete？極易洩漏
}

結果：資源管理責任模糊，調用者極難正確釋放，異常時必洩漏。

3. 返回 static 對象的 reference

const Rational& operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs) {
    static Rational result;
    result = Rational(lhs.n * rhs.n, lhs.d * rhs.d);
    return result;  // 線程不安全、連續調用覆蓋、多對象需求無法滿足
}

結果：多線程競態、a*b == c*d 永遠為 true、無法支持 (a*b) == (c*d) 等表達式。

正確做法：按值返回

inline Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs) {
    return Rational(lhs.n * rhs.n, lhs.d * rhs.d);  // 直接返回對象
}

編譯器優化保證

• 返回值優化 (RVO/NRVO)：編譯器直接在調用者棧幀構造對象，零拷貝
• 移動語義 (C++11)：即使無法 RVO，移動構造函數極廉價（指針轉移）
• 現代編譯器（GCC/Clang/MSVC）對簡單返回值優化極其激進，性能無損

何時可以返回 reference？

• 返回參數引用（如 operator+= 返回 *this）
• 返回類靜態常量/單例
• 返回容器元素（vector::operator[]、map::find->second）
• 返回全局/命名空間作用域對象

共同特徵：**對象生命週期超出函數調用，且所有權不轉移。**

總結口訣

「要返回新對象，就大方地按值返回；編譯器比你聰明，RVO/移動語義早已幫你搞定性能。」