C++进阶之路:何为引用、内联函数、auto与指针空值nullptr关键字

简介: C++进阶之路:何为引用、内联函数、auto与指针空值nullptr关键字


C++中的引用

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,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: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;

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

注意: 引用类型 必须和引用 实体 同种类型

引用的特性

  1. 引用在定义时必须初始化
  2. 一个变量可以有多个引用
  3. 引用一旦引用一个实体,再不能引用其他实体

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;
}

使用场景

作为参数

void Swap(int& left, int& right)
{
   int temp = left;
   left = right;
   right = temp;
}

作为返回值

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

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;
}

time 为 0 是因为小于一毫秒

通过上述代码的比较,发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大

引用和指针的区别

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;
}

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。

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

引用和指针的汇编代码对比

底层汇编语言里
引用与指针是一样的

都是指针

引用与指针的不同点

  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. 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  

C++中的内联函数

内联函数概念

inline修饰 的函数叫做内联函数,编译时C++编译器会在调用内联函数的地方 展开 ,没有函数调

用建立栈帧的开销,内联函数提升程序运行的效率。

如果在函数前增加inline关键字将其改成内联函数,在编译期间编译器会用 函数体替换函数的

调用。

调设置前的情况(可能):

 

查看方式:

  1. 在release模式下,查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
  2. 在debug模式下,需要对编译器进行设置,否则不会展开(因为debug模式下,编译器默认不会对代码进行优化,以下给出vs2013的设置方式)

 

调完设置后:

 

内联函数的特性

1.inline是一种以空间换时间的做法,如果编译器将函数当成内联函数处理,在编译阶段,会用函数体替换函数调用

缺陷:可能会使目标文件变大

优势:少了调用开销,提高程序运行效率

2.inline对于编译器而言只是一个建议,不同编译器关于inline实现机制可能不同,一般建议:将函数规模较小(即函数不是很长,具体没有准确的说法,取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰,否则编译器会忽略inline特性。   

下图为 《C++prime》第五版关于inline的建议: 3.inline不建议声明和定义分离,分离会导致链接错误。因为inline被展开,就没有函数地址了,链接就会找不到。

思考

宏的优缺点?

优点:

1.增强代码的复用性。

2.提高性能。

缺点:

1.不方便调试宏。(因为预编译阶段进行了替换)

2.导致代码可读性差,可维护性差,容易误用。

3.没有类型安全的检查 。

C++有哪些技术替代宏

1. 常量定义 换用const enum

2. 短小函数定义 换用内联函数

随着程序越来越复杂,程序中用到的类型也越来越复杂,经常体现在:

1. 类型难于拼写

2. 含义不明确导致容易出错


C++中的auto关键字(C++11)

类型别名思考

随着程序越来越复杂,程序中用到的类型也越来越复杂,经常体现在:

1. 类型难于拼写

2. 含义不明确导致容易出错

#include <string>
#include <map>
int main()
{
 std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange", 
"橙子" }, 
   {"pear","梨"} };
 std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();
 while (it != m.end())
 {
 //....
 }
 return 0;
}

在早期C/C++中auto的含义是:使用auto修饰的变量,是具有自动存储器的局部变量,但遗憾的

是一直没有人去使用它,为什么?

在早期的C语言中,`auto`是一个存储类别修饰符,用于声明具有自动存储期的局部变量。根据C语言的标准,如果局部变量声明时没有指定存储类别,那么默认就是`auto`。因此,在C语言中,`auto`关键字实际上是非常常用的,只是大多数时候是隐式使用的,而不是显式写出来。

C语言标准(如C89/C90)规定,函数内部的局部变量默认是自动存储期限(auto storage duration),这意味着每次函数被调用时,这些变量都会被创建和初始化,当函数返回时,这些变量就会被销毁。由于`auto`是默认的行为,所以在编写代码时通常不需要显式地使用`auto`关键字。

在C++中,`auto`关键字的传统用法与C语言相同,但在C++11标准中,`auto`被赋予了新的含义,用作类型自动推导。这意味着在声明变量时,编译器会自动根据初始化表达式的类型来确定变量的类型。这个特性使得`auto`在C++11及以后的版本中变得非常流行和常用。
总结来说,`auto`在早期C/C++中并不是没有人使用,而是因为它是默认行为,所以通常不需要显式使用。而在C++11及以后的版本中,`auto`的用途被扩展,成为了一个非常实用的特性。

C++11中,标准委员会赋予了auto全新的含义即: auto不再是一个存储类型指示符,而是作为一

个新的类型指示符来指示编译器,auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得

std::map<std::string, std::string>::iterator 是一个类型,但是该类型太长了,特别容易写错。

 

注意:

使用auto定义变量时必须对其进行初始化 ,在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto

的实际类型

因此auto并非是一种“类型”的声明,而是一 个类型声明时的“占位符”,编译器在编 译期会将auto替换为变量实际的类型


范围for循环

范围for循环语法

void TestFor()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
for(auto& e : array)
     e *= 2;
for(auto e : array)
     cout << e << " ";
return 0;
}

e也可换为其他字母,不固定,如:x

范围for的使用条件

1. for循环迭代的范围必须是确定的

对于数组而言,就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围

对于类而言,应该提供begin和end的方法,begin和end就是for循环迭代的范围。

2. 迭代的对象要实现++和==的操作


指针空值nullptr(C++11)

C++98中的指针空值

在良好的C/C++编程习惯中,声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值,否则可能会出现

不可预料的错误,比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向,我们基本都是按照如下

方式对其进行初始化:

NULL实际是一个宏,在传统的C头文件(stddef.h)中,可以看到如下代码:

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL   0
#else
#define NULL   ((void *)0)
#endif
#endif

可以看到,NULL可能被定义为字面常量0,或者被定义为无类型指针(void*)的常量。不论采取何

种定义,在使用空值的指针时,都不可避免的会遇到一些麻烦,比如:

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数,但是由于NULL被定义成0,因此与程序的

初衷相悖。

在C++98中,字面常量0既可以是一个整形数字,也可以是无类型的指针(void*)常量,但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量,如果要将其按照指针方式来使用,必须对其进行强转(void

*)0。

注意:

 

1. 在使用nullptr表示指针空值时,不需要包含头文件,因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。

2. 在C++11中,sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。

3. 为了提高代码的健壮性,在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。

希望对你有帮助!加油!

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