【C++】引用之带你“消除”C语言版数据结构教材的一些困惑(虽然是C++的内容,但是强烈建议正在学习数据结构的同学点进来看看)

简介: 【C++】引用之带你“消除”C语言版数据结构教材的一些困惑(虽然是C++的内容,但是强烈建议正在学习数据结构的同学点进来看看)

前言

不知道你有没有这样的经历,在学习数据结构的时候,教材中有一个地方总是搞不明白,如下图:

  • 我记得当时我问过老师:《这是引用,你只要记得只要这个值被改变了,就加上它&》

我也没有继续探索,导致我数据结构阶段虽然考试成绩还行,但是还是😭蒙蒙的状态😭

直到今天,我学习了引用,我才知道为什么要这么用


🌐🌐🌐希望这篇文章可以让遇到同样困惑的你得到解答🌐🌐🌐

🔯那就让我们赶紧进入引用的学习吧🔯


欢迎大家📂收藏📂以便未来做题时可以快速找到思路,巧妙的方法可以事半功倍。

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GITEE相关代码:🌟fanfei_c的仓库🌟

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1.引用的概念

引用是给已存在变量取了一个别名。

编译器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:孙悟空,别名齐天大圣、美猴王等等,这些别名都指的是孙悟空。

用法:

void TestRef()
{
  int a = 10;
  int& ra = a;//<====定义引用类型
  printf("%p\n", &a);
  printf("%p\n", &ra);
}

我们说引用与它引用的变量共用同一快内存空间,那么他们的地址就是相同的,如图:

注意:引用类型必须和引用实体时同种类型的。


2.引用的特性

  • 引用在定义时必须初始化
  • 一个变量可以有多个引用
  • 引用一旦引用一个实体,再不能引用其他实体(引用不能改变指向)

了解了以上三条特性,请思考:引用能够替代指针么?

在C++中,引用不能替代指针,因为引用不能改变指向,而指针可以。

在JAVA中,引用可以改变指向。

有关常引用:

void TestConstRef()
{
  const int a = 10;
  //int& ra = a; // 该语句编译时会出错,a为常量
  const int& ra = a;
  // int& b = 10; // 该语句编译时会出错,b为常量
  const int& b = 10;
  double d = 12.34;
  //int& rd = d; // 该语句编译时会出错,类型不同
  const int& rd = d;
}

👀如果上面的例子你有疑问,下面是疑惑解答👀

1-2、4行:我们知道常变量是不可修改的,既然常变量不可修改,我们将常变量取别名就失去了引用的意义和价值。

3、5行:这里ra为常引用,既然a是常变量,那么我们将常引用与之匹配不就刚好可以了么。

7行:略。

8行:我们知道将双精度浮点型赋值给整型会发生截断,但类型转换时,底层不是直接将自身的类型改变,而是会生成一个临时变量,此时这个临时变量具有常属性,所以此时常引用rd就可以指向d了。


3.引用的使用场景

1.做参数

void Swap(int& left, int& right)
{
  int temp = left;
  left = right;
  right = temp;
}
int main()
{
  int a, b;
  Swap(a, b);
  return 0;
}

这也是数据结构教材中的用法。


2.做返回值

int& Count()
{
  static int n = 0;
  n++;
  // ...
  return n;
}

这里我们着重讨论一下做返回值的用法:

细心的同学应该发下了这里n定义为静态变量了。


🚀请思考下为什么会这样做🚀


我们观察下这段代码,这里返回的是n的引用。

假设不加static修饰n:

  • 我们知道引用就相当于它本身,地址也是同一块空间。
  • 当函数栈帧结束,出了作用域,返回对象n就销毁了,那返回n的引用就相当于返回的是已被销毁的那块地址的值,这个值是不确定的,因为已经还给操作系统了。
  • 所以这里我们加上static修饰,使n存储在静态区,栈帧结束也不会被销毁,此时返回n的引用也就没有问题了。

另外:引用做返回值,可以修改引用对象。

int& Slat(SL* ps, int pos)
{
  return ps->a[pos];
}
int main()
{
  SL s;
  //...
  Slat(&s, 3) = 10;
  for (int i = 0; i < s.size; i++)
  {
    Slat(&s, i)++;
  }
  return 0;
}

如果没有引用,就会报错。

因为如果没引用,Slat(&s,3)或Slat(&s,i)返回值是常数,常量为右值不可修改。


3.我们再来看另一个问题


🚀下面的代码输出什么结果,为什么🚀

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

先看结果:

这段代码启示我们空间是重复利用的

函数栈帧创建又销毁,又创建又销毁,ret始终都指向那同一个位置,所以最后值一定是最后改变的7而不是3。

总结下:如果函数返回时,出了函数作用域,如果返回对象还在(还没还给系统),则可以使用引用返回,如果已经还给系统了,则必须使用传值返回。


4.传值、传引用效率比较

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

#include <time.h>
struct A { int a[10000]; };
void TestFunc1(A a) {}
void TestFunc2(A& 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;
}

运行结果:


5.引用和指针的区别

在语法概念上引用就是一个别名,没有独立空间,和其引用实体共用同一块空间

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

运行结果:

但实际上:在底层实现上实际是有空间的,因为引用是按照指针方式来实现的。

底层中没有引用概念,和指针一样都是汇编代码实现的。

我们来看下引用和指针的汇编代码对比:


总结下引用和指针的不同点:

  1. 引用概念上定义一个变量的别名,指针存储一个变量地址。
  2. 引用在定义时必须初始化,指针没有要求。
  3. 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。
  4. 没有NULL引用,但有NULL指针。
  5. 在sizeof中含义不同:引用结果为引用类型的大小,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)。
  6. 引用自加即引用的实体增加1,指针自加即指针向后偏移一个类型的大小。
  7. 有多级指针,但是没有多级引用。
  8. 访问实体方式不同,指针需要显式解引用,引用编译器自己处理。
  9. 引用比指针使用起来相对更安全,注意不是绝对安全 。

看到这里,你一定理解了数据结构教材上让你蒙蒙的&符号了吧


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