C++初阶 —— 引用

Posted 2022-08-13 跳动的bit

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