【C++】引用

🏖️作者：@malloc不出对象
⛺专栏：C++的学习之路
👦个人简介：一名双非本科院校大二在读的科班编程菜鸟，努力编程只为赶上各位大佬的步伐🙈🙈

前言

本篇文章我们将来学习的是引用，引用就是取别名，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。除了讲解引用之外，我们还将指出指针与引用之间的区别与联系。

一、引用

1.1 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：水浒传里面的李逵，在家被称为“铁牛”，在江湖上被称为“黑旋风”，铁牛和黑旋风都是李逵本人。

下面我们举个例子先见一见引用：

#include <iostream>
#include <cstdio>int main()
{int a = 10;int& ra = a;printf("a的值 = %d\\n", a);printf("ra的值 = %d\\n", ra);printf("a的地址 = %p\\n", &a);printf("ra的地址 = %p\\n", &ra);return 0;
}

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的。

1.2 引用特性

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(引用不能取代指针的原因之一)

我们来简单的看看这段代码：

#include <iostream>
#include <cstdio>int main()
{int a = 10;int b = 20;//int& ra;  引用必须初始化int& ra = a;   //给a取一个别名raint& rra = ra; //给ra取一个别名rra//ra++与rra++都是对同一块空间的值++ra++;rra++;printf("a = %d, b = %d, c = %d\\n", a, ra, rra);printf("&a = %p, &ra = %p, &rra = %p\\n", &a, &ra, &rra);return 0;
}

1.3 引用的使用场景

1.3.1 做参数

交换两个变量，因为引用就是使用的变量本身，改变形参就是在改变变量本身。

有了引用其实很多事情都很方便了，在数据结构中我们有时候需要传一级指针、二级指针等，对于指针没有学好的伙计来说引用的出现就是一大福音。

结论1：引用做参数的一个作用就是作为输出型参数，函数中修改别名的值，实参的值也就修改了。

接下来我们来检测一下引用做参数与值做参数的效率，见下面的代码：

#include<iostream>
#include <time.h>
using namespace std;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 < 100000; ++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 < 100000; ++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;
}int main()
{TestRefAndValue();return 0;
}

引用做函数参数使用的就是变量本身，不需要像值传递那样要拷贝一份临时变量，所以引用做函数参数就节约了时间和空间的成本。

结论2：引用做参数还有另一个作用就是减少拷贝，提升效率。

1.3.2 做返回值

在讲引用做返回值之前我们先来看看下面这段简单的代码：

#include <iostream>
using namespace std;int& Count()
{static int n = 0;n++;return n;
}int main()
{int ret = Count();return 0;
}

我们首先来回顾一下函数栈帧的调用过程，在我之前的博客是讲的很清楚的，下面从函数栈帧和内存分布的角度来解析这段代码。

了解完上面这段代码，接下来我们来看看这段代码与上段代码之间的区别：

#include <iostream>
using namespace std;// 引用返回
int& Count()
{static int n = 0;n++;return n;
}int main()
{int ret = Count();return 0;
}

这段代码与上述代码的区别点，首先这段代码的变量n是在静态区的，它不会随着函数栈帧的销毁而销毁；其次这段代码的返回值的类型为int&。

Q：那么接下来我想问大家一个问题，这段代码直接就是将变量n返回给main函数吗？如果不是，请问它返回的到底是什么？与变量n有什么关系？

首先这段代码并不是直接将变量n返回给main函数的，它仍然产生一个临时变量，这一点我们可以通过vs下的反汇编查看汇编代码：

我们再来看一个例子：

结论：通过观察这两个例子，这也从侧面反应不随函数栈帧销毁而销毁的值一般也都不是直接返回到主函数中，而是创建一份临时变量再将其带回主函数中。

接下来我们看看两者返回值类型一个是int一个是int&不同会对程序造成怎样的情况：

该段代码的返回值类型为int&，相当于返回的是临时变量的别名，临时变量的别名就是n；这个过程就相当于直接将变量n返回到主函数中，相较于传值返回少了拷贝一份临时变量这个过程，所以传引用效率会比传值返回要更高一些。

结论：引用做返回值能够减少拷贝，节约时间和空间的成本提高效率。

对于传值返回什么环境下都适用，那么传引用返回到底适用于什么环境呢？接下来我们一起来证实一下：

我们想一下这个代码为什么三次打印的结果不同，第一次为1好像为正确答案，第二次和第三次就是随机值呢？

这是因为ret是n的别名，而在Func函数调用完之后函数栈帧被销毁了，变量n也随之被销毁，此时这块空间其实就不属于n了，那么第一次为什么得出正确答案了呢？这是因为此时这块空间的数据还没被覆盖，，所谓的这块空间销毁了，并不是这块空间就不存在了，这块空间的数据就不存在了，，而是这块空间在等待被覆盖，，所以说即使我们看到的1好像就是正确答案，，其实它是未定义的，，说的再通俗一点就是随机的…

也许有读者还是有些许的不清楚，这里我举一个很形象的例子来帮助大家理解这个过程：

在电视剧中我们经常看到xxx被抄家了，之后这栋房子以及房间门外就贴了一个大大的拆字，，这就相当于函数栈帧被销毁，，实际上它并没有销毁了这块空间，，摧毁了这栋房子，，而是用一种特殊的方式去表明这块空间已经不属于你了，，那么这栋房子就是等待他人重新使用的吧，，那么在这个过程中我房子以及房间的东西就相当于函数栈帧中的数据，，它还是原来的数据这是不是没有问题，，那么以后有人搬进这栋房子了或者将这栋房子进行了装修，，房间的布局以及东西都进行了变化和更换，那么原来的数据是不是就发生了变化…那么讲到这里，房间里的东西什么时候会发生变化这是未知的是吧，，这也就是我们讲的未定义的行为，，得出什么答案都是随机的。

讲完上面这个例子，下面我们来看这代码形象表示一下这个过程，大家先想想结果吧：

#include<iostream>
#include<cstdio>
using namespace std;int& Func()
{int n = 0;printf("%p\\n", &n);n++;return n;
}void Bug()
{int x = 100;printf("%p\\n", &x);
}int main()
{int& ret = Func();printf("%d\\n", ret);printf("%d\\n", ret);Bug();printf("%d\\n", ret);printf("%p\\n", &ret);return 0;
}

这段代码的结果不能说巧，只能说非常巧。下面我们来看看下图分析：

通过上述例子，最终我们知道传引用适用于出了函数作用域返回值还存在的环境。

结论：

• 出了函数作用域，返回变量不存在了，不能用引用返回，因为引用返回的结果是未定义的。
• 出了函数作用域，返回变量存在，才能使用引用返回。

下面我们来看一个例子：

通过上图代码的结果，我们发现传引用返回可以直接进行修改。尽管现在看来这个功能是没什么用的，但是随着我们后续的学习在以后这个场景是会经常出现的。

结论：传引用返回除了减少拷贝，还有一个功能是可以修改返回对象。

1.3.3 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。

我们通过下面一段代码来检测一下它们的效率问题：

通过上述代码的比较，发现传值和传引用返回在遇到大范围数据时效率差距较大。

1.3.4 引用与函数重载

void Swap(int& x, int& y)
{int tmp = x;x = y;y = tmp;
}void Swap(int x, int y)
{int tmp = x;x = y;y = tmp;
}

以上的两个Swap函数也构成函数重载，因为引用也是一种数据类型，根据函数名修饰规则就可以区分两个Swap函数。但是在调用Swap函数时，编译器是无法区分这两个Swap函数的。

1.3.5 常引用

const关键字也可以用来修饰引用。被const修饰的引用就表示该引用为常引用，只能读取数据不能写入数据。在指针和引用的赋值中，权限可以缩小，但是不能放大。

我们说在指针和引用的赋值当中，可以有权限的变化，那么在其他情况下涉及权限的变化吗？我们以下面的代码为例：

结论：只有指针和引用的赋值才涉及权限的放大和缩小，值拷贝并不涉及权限的放大和缩小。

当两个类型不同的变量给对方赋值时，赋值的过程中会产生临时变量，而临时变量具有常属性不能被修改，此时只能使用const修饰。下面我们先来看一个简单的例子来说明产生临时变量的情况：

#include <cstdio>int main()
{int i = 0;// 两者类型不同隐式的进行了类型转换double d = i;double dd = (double)i; //强制类型转换其实就是显式的进行了类型转换return 0;
}

我们通过汇编代码查看这两处代码做了什么处理：

我们接着看向下面这段代码：

结论：当两边变量类型不匹配时，需要用const修饰才能使用引用初始化

当函数传返回值时，如果主函数用引用变量接收该函数返回值的话，此时要使用const修饰引用变量，因为传返回值也会产生临时变量。

1.4 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。但引用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。

// 语法上，ra是a的别名，不开空间
// 底层上，引用是使用指针实现的
int main()
{int a = 10;int& ra = a;ra = 20;int* pa = &a;*pa = 20;return 0;
}

我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

通过上图我们就能发现引用与指针的赋值实现方式是一样的，引用就是按照指针的方式来实现的。

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

本篇关于引用部分的内容就讲到这里啦，如果有任何问题，欢迎大家评论区相互交流哦orz~ 🙈 🙈