C++初阶 —— 引用

简介: C++初阶 —— 引用

一、 引用概念

引用不是新定义一个变量,而是给已存在变量取了一个别名,语法理解上程序不会为引用变量开辟内存空间,它和它引用的变量共用同一块内存空间

比如:李逵,在家称为"铁牛",江湖上人称"黑旋风"

❗ 类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体 ❕

int main()
{
  //有一块空间a,后面给a取了三个别名b、c、d
  int a = 10;
  int& b = a;
  int& c = a;
  int& d = b;
  //char& d = a;//err,引用类型和引用实体不是同类型(这里有争议————char a = b[int类型],留个悬念,下面会解答)
  //会被修改
  c = 20;
  d = 30;
  return 0;
}

⚠ 注意

 1️⃣ 引用类型必须和引用实体是同种类型

 2️⃣ 注意区分 ‘&’ 取地址符号

二、 引用特性

 1️⃣ 引用在定义时必须初始化

 2️⃣ 一个变量可以有多个引用

 3️⃣ 引用一旦引用一个实体,再不能引用其他实体

int main()
{
  //int& e;//err
  int a = 10;
  int& b = a;
  //这里指的是把c的值赋值于b
  int c = 20;
  b = c;
  return 0;
}

三、 常引用

void TestConstRef()
{
  const int a = 10;
  //int& ra = a; //该语句编译时会出错,a为常量;由const int到int
  const int& ra = a;//ok
  int b = 20;
  const int& c = b; //ok,由int到const int
  //b可以改,c只能读不能写
  b = 30;
  //c = 30;//err
  //b、c分别起的别名的权限可以是不变或缩小
  int& d = b;//ok
  //int& e = c//err
  const int& e = c;//ok
  //int& f = 10; // 该语句编译时会出错,b为常量
  const int& g = 10;//ok
  int h = 10;
  double i = h;//ok
  //double& j = h;//err
  const double& j = h;//ok
  //?为啥h能赋值给i了(隐式类型转换),而给h起一个double类型的别名却不行————如果是仅仅是类型的问题那为啥加上const就行了?
  //double i = h;并不是直接把h给i,而是在它们中间产生了一个临时变量(double类型、常量),并利用这个临时变量赋值
  //也就是说const double& j = h;就意味着j不是直接变成h的别名,而是变成临时变量(doublde类型)的别名,但是这个临时变量是一个常量,这也解释了为啥需要加上const
}

💨小结

 1️⃣ 我能否满足你变成别名的条件:可以不变或者缩小你读写的权限 (const int -> const int 或 int -> const int),而不能放大你读写的权限 (const int -> int)

 2️⃣ 别名的意义可以改变,并不是每个别名都跟原名有一样的权限

 3️⃣ 不能给类型不同的变量起别名的真正原因不是类型不同,而是隐式类型转换后具有常性了

❗ 常引用的意义 (举例栈) ❕

typedef struct Stack
{
  int* a;
  int top;
  int capacity;
}ST;
void InitStack(ST& s)//传引用是为了形参的改变影响实参
{//...}
void PrintStack(const ST& s)//1.传引用是为了减少拷贝 2. 同时保护实参不会被修改
{//...}
void Test(const int& n)//即可以接收变量,也可以接收常量
{//...}
int main()
{
  ST st;
  InitStack(st);
  //...
  PrintStack(st);
  int i = 10;
  Test(i);
  Test(20);
  return 0;
}

💨小结

 1️⃣ 函数传参如果想减少拷贝使用引用传参,如果函数中不改变这个参数最好使用 const 引用传参

 2️⃣ const 引用的好处是保护实参,避免被误改,且它可以传普通对象也可以传 const 对象

四、 使用场景

❗ 1、做参数 ❕

void Swap1(int* p1, int* p2)
{
  int temp = *p1;
  *p1 = *p2;
  *p2 = temp;
}
void Swap2(int& rx, int& ry)
{
  int temp = rx;
  rx = ry;
  ry = temp;
}
int main()
{
  int x = 3, y = 5;
  Swap1(&x, &y);//C传参
  Swap2(x, y);//C++传参
  return 0;
}

💨在 C++ 中形参变量的改变,要影响实参,可以用指针或者引用解决

意义:指针实现单链表尾插 || 引用实现单链表尾插

  指针

  引用

void SListPushBack(SLTNode*& phead, int x)
{
  //这里phead的改变就是plist的改变
}
void TestSList2()
{
  SLTNode* plist = NULL;
  SListPushBack(plist, 1);
  SListPushBack(plist, 2);
}

  有些书上喜欢这样写 (不推荐)

typedef int SLTDataType;
typedef struct SListNode
{
  SLTDataType data;
  struct SListNode* next;
}SLTNode, *PSLTNode;
void SListPushBack(PSLTNode& phead, int x)
{
  //...
}

❗ 2、做返回值 ❕

 2.1、传值返回

//传值返回
int Add(int a, int b)
{
  int c = a + b;
  return c;//需要拷贝
}
int main()
{
  int ret = Add(1, 2);//ok, 3
  Add(3, 4);
  cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
  return 0;
}

💨Add 函数里的 return c; —— 传值返回,临时变量作返回值。如果比较小,通常是寄存器;如果比较大,会在 main 函数里开辟一块临时空间

  怎么证明呢

int Add(int a, int b)
{
  int c = a + b;
  return c;
}
int main()
{
  //int& ret = Add(1, 2);//err
  const int& ret = Add(1, 2);//ok, 3
  Add(3, 4);
  cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
  return 0;
}

💨从上面就可以验证 Add 函数的返回值是先存储在临时空间里的

 2.2、传引用返回

//传引用返回
int& Add(int a, int b)
{
  int c = a + b;
  return c;//不需要拷贝
}
int main()
{
  int ret = Add(1, 2);//err, 3
  Add(3, 4);
  cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
  return 0;
}

💨结果是不确定的,因为 Add 函数的返回值是 c 的别名,所以在赋给 ret 前,c 的值到底是 3 还是随机值,跟平台有关系 (具体是平台销毁栈帧时是否会清理栈帧空间),所以这里的这种写法本身就是越界的 (越界抽查不一定报错)、错误的

  发现这样也能跑,但诡异的是为啥 ret 是 7

//传引用返回
int& Add(int a, int b)
{
  int c = a + b;
  return c;
}
int main()
{
  int& ret = Add(1, 2);//err, 7
  Add(3, 4);
  cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
  return 0;
}

💨在上面我们在 VS 下运行,可以得出编译器并没有清理栈帧,那么这里进一步验证引用返回的危害

虽然能正常运行,但是它是有问题的

 小结引用做返回值

  1️⃣ 出了 TEST 函数的作用域,ret 变量会销毁,就不能引用返回

  2️⃣ 出了 TEST 函数的作用域,ret 变量不会销毁,就可以引用返回

  3️⃣ 引用返回的价值是减少拷贝

❓ 观察并剖析以下代码 ❔

int main()
{
  int x = 3, y = 5;
  int* p1 = &x;
  int* p2 = &y;
  int*& p3 = p1;
  *p3 = 10;
  p3 = p2;
  return 0;
}

五、函数参数及返回值 ———— 传值、传引用效率比较

#include <time.h>
#include<iostream>
using namespace std;
struct A { int a[10000]; };
A a;
void TestFunc1(A a) {}
void TestFunc2(A& a) {}
A TestFunc3() { return a; }
A& TestFunc4() { return a; }
void TestRefAndValue()
{
  A a;
  // 以值作为函数参数
  size_t begin1 = clock();
  for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
    TestFunc1(a);
  size_t end1 = clock();
  // 以引用作为函数参数
  size_t begin2 = clock();
  for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
    TestFunc2(a);
  size_t end2 = clock();
  // 分别计算两个函数运行结束后的时间
  cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
  cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}
void TestReturnByRefOrValue()
{
  // 以值作为函数的返回值类型
  size_t begin1 = clock();
  for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
    TestFunc3();
  size_t end1 = clock();
  // 以引用作为函数的返回值类型
  size_t begin2 = clock();
  for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
    TestFunc4();
  size_t end2 = clock();
  // 计算两个函数运算完成之后的时间
  cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
  cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}
int main()
{
  //传值、传引用效率比较
  TestRefAndValue();
  cout << "----------cut----------" << endl;
  //值和引用作为返回值类型的性能比较
  TestReturnByRefOrValue();
  return 0;
}

💨以值作为参数或者返回值类型,在传参和返回期间,函数不会直接传递实参或者将变量本身直接返回,而是传递实参或者返回变量的一份临时的拷贝,因此用值作为参数或者返回值类型,效率是非常低下的,尤其是当参数或者返回值类型非常大时,效率就更低

六、 引用和指针的区别

1️⃣ 语法概念 1️⃣

引用就是一个别名,没有独立空间,和其引用实体共用同一块空间

指针变量是开辟一块空间,存储变量的地址

int main()
{
  int a = 10;
  int& ra = a;
  cout<<"&a = "<<&a<<endl;
  cout<<"&ra = "<<&ra<<endl;
  int b = 20;
  int* pb = &b;
  cout<<"&b = "<<&b<<endl;
  cout<<"&pb = "<<&pb<<endl;
  return 0;
}

2️⃣ 底层实现 2️⃣

引用和指针是一样的,因为引用是按照指针方式来实现的

int main()
{
  int a = 10;
  int& ra = a;
  ra = 20;
  int* pa = &a;
  *pa = 20;
  return 0;  
}

这里我们对比一下 VS 下引用和指针的汇编代码可以看出来他俩是同根同源

引用和指针的不同点:

1、引用在定义时必须初始化,指针没有要求

2、引用在初始化时引用一个实体后,就不能再引用其他实体,而指针可以在任何时候指向任何一个同类型实体

3 、没有 NULL 引用,但有 NULL 指针

4、在 sizeof 中含义不同:引用结果为引用类型的大小,与类型有关;但指针始终是地址空间所占字节个数 (32 位平台下占 4 个字节,64 位平台下占 8 个字节),与类型无关

5、引用自加即引用的实体增加 1,与类型无关,指针自加即指针向后偏移一个类型的大小,与类型有关

6、有多级指针,但是没有多级引用

7、访问实体方式不同,指针需要解引用,引用编译器自己处理

8、引用比指针使用起来相对更安全,指针容易出现野指针、空指针等非法访问问题



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