C++从入门到精通——引用(&)

C/C++
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2024-08-04
【c/c++】深入探秘：C++内存管理的机制
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C++的引用

前言

C++的引用是别名，它为已存在的对象提供了另一个名称。一旦引用被初始化指向一个对象，它就不能再指向其他对象。引用必须在声明时初始化，并且必须初始化为有效的对象或字面量。引用通常用于函数参数和返回值，以实现按引用传递和返回。此外，它们也常用于大型对象和数组，以避免复制的开销。C++11引入了右值引用和移动语义，允许更高效的资源管理和性能优化。总的来说，C++的引用是一种强大的工具，能够增强代码的可读性和性能。

一、C++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"。

在C++中，引用是一个别名，用于已经存在的变量或对象。引用提供了对变量的间接访问，通过引用，可以通过不同的名称来访问同一变量。

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是同种类型的

引用的定义使用&符号，如下所示：

int x = 10;
int &ref = x;

在这个例子中，ref是x的引用，它是x的别名。现在，ref和x可以互换使用，任何对ref的更改将反映在x上，反之亦然。

二、引用特性

void TestRef()
{
   int a = 10;
   // int& ra;   // 该条语句编译时会出错
   int& ra = a;
   int& rra = a;
   printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);  
}

引用有以下几个特点：

  1. 引用必须在定义时进行初始化，一旦初始化完成后，就无法更改引用的绑定。
  2. 引用必须与其所引用的对象具有相同的类型。
  3. 引用可以作为函数的参数和返回值，通过引用参数传递参数可以避免复制大型对象的开销。
  4. 一个变量可以有多个引用

引用与指针不同，指针是一个对象，可以指向任何其他对象，而引用始终指向同一个对象。另外，引用在使用时不需要解引用操作符(*)，因为它本身就是对象的别名。

引用的使用可以简化代码并提高可读性，它常用于函数参数传递、函数返回值、以及在循环中使用。

void increment(int& i) {
    i++;
}

int main() {
    int x = 10;
    increment(x);
    cout << x; // 输出11
    return 0;
}

在上面的例子中，increment函数接受一个引用参数i，对该引用进行递增操作。在main函数中，将变量x传递给increment函数后，x的值被递增为11。因为参数是引用类型，所以对i的修改会直接影响到x。

交换

指针
void Swap(int* a, int* b)
{
    int tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}
int main{
	int x = 0, y = 10;
	cout << x << "  " << y << endl;
	Swap(&x, &y);
	cout << x << "  " << y << endl;
	return 0;
	}

引用
void _Swap(int& a, int& b)
{
    int tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
}
int main{
	int x = 0, y = 10;
	cout << x << "  " << y << endl;
	_Swap(x, y);
	cout << x << "  " << y << endl;
	return 0;
	}

三、常引用

保证值不变

C++中的常引用是指使用const关键字修饰的引用，即被引用的对象不能被修改。常引用和普通引用的主要区别在于，常引用所引用的对象在引用过程中不能被修改。

常引用的语法形式如下：

const T& ref;

其中，T是被引用对象的类型。常引用可以指向任何类型的对象，包括基本类型、自定义类型、指针等。

常引用在函数参数传递中很常用，可以用于避免拷贝大对象，同时又不希望对对象进行修改。在函数定义时，使用常引用作为参数，可以防止函数对参数进行修改。

需要注意的是，引用作为函数参数时，函数内部对引用的修改也会反映到函数外部的变量上。

void print(const int& i) {
    cout << i;
}

int main() {
    int x = 10;
    print(x);
    return 0;
}

在上述例子中，print函数接受一个const引用参数i，这意味着i不可修改。在main函数中，将变量x传递给print函数后，print函数无法修改x的值。这样做可以确保函数不会意外地修改传递给它的参数。

权限的方法

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;
}
权限的放大
const int a = 10;
int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量
int p = a;

这样是可取的，因为这是赋值语句

如上const int a = 10;按照语法来理解是可读但不可写，我们使用一个可读可写的int类型来引用就会报错，所以这种方法是不可取的

const int* a = &m;
int* ra = a;

这也是权限的放大，不可以

权限的缩小
int a = 10;
const int& ra = a;

如上 int a = 10;按照语法来理解是可读可写，我们使用一个可读的const int类型来引用是没有问题的，所以这种方法是可取的

int p = a;//p = ra;

这样是可取的，因为这是赋值语句

注意：a++，ra也会++，因为ra是a的别名，但是ra不能++，因为ra是常量，总结来说就是不能通过ra来修改

 int* a = &m;
const int* ra = a;

这也是权限的缩小，可以

权限的平移
 	int a = 10;
   int& ra = a;
   int& rra = a;
const int b = 10;
const int& rb = b;

如上 int a = 10;按照语法来理解是可读可写，我们使用一个可读可写的int类型来引用是没有问题的，所以这种方法是可取的，同理const的修饰也是一样的

类型转换
 double d = 12.34;
 //int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
 const int& rd = d;

如上为什么int& rd = d;不行，而 const int& rd = d;确可以，是因为类型转换会生成临时变量，类型转换是将一个数据类型的值转换为另一个数据类型的值，而不是直接修改原始值。因此，在执行类型转换时，会创建一个新的变量来存储转换后的值，并且可以在需要的地方使用。这时的临时变量是具有常性的，使用int& rd = d; 就相当于权限的放大，会报错，需要使用const修饰

临时变量


int x = 0,y = 1;
//int& p = x + y;是不可以的
const int& p = x + y;//是可以的,和上面一样是临时变量的原因

除了类型转换之外，还有以下几种情况会生成临时变量：

  1. 函数返回值：当一个函数返回一个临时变量时，编译器会在函数结束时生成一个临时变量，并将其复制到函数返回的地方。
  2. 表达式计算：在进行表达式计算时，如果表达式中包含临时变量的创建和销毁，编译器会在需要的地方生成临时变量。
  3. 函数调用：当调用函数时，会将实参传递给形参。如果实参的类型与形参的类型不匹配，编译器可能会生成临时变量来进行类型转换。
  4. 对象初始化：当创建对象时，如果使用了拷贝构造函数，编译器会生成一个临时变量来初始化新对象。
  5. 运算符重载：当重载一个运算符时，可能会生成临时变量来进行操作。

需要注意的是，编译器为了优化性能可能会对临时变量进行优化，比如使用编译器自动生成的构造函数、析构函数等。因此，生成临时变量并不一定会带来显著的性能损耗。

四、引用的使用场景

1. 做参数

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

2. 做返回值

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

下面代码输出什么结果？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;
}

注意：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。

五、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;
}
int main()
{
    TestRefAndValue();
    return 0;
}

值和引用的作为返回值类型的性能比较

#include <time.h>
struct A { int a[10000]; };
A a;
// 值返回
A TestFunc1() { return a; }
// 引用返回
A& TestFunc2() { return a; }
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)
        TestFunc1();
    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)
        TestFunc2();
    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()
{
    //TestRefAndValue();
    TestReturnByRefOrValue();
    return 0;
}

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。

六、引用和指针的区别

引用和指针的注意点

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;
}

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。

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：

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：

int* ptr = NULL;
int& r = ptr;

这样编译器是不会报错的

int main()
{
    int* ptr = NULL;
    int& r = *ptr;
    cout << r << endl;
    return 0;
}

这样才会报错，因为指针的解引用是在使用的阶段，在底层是r存放的是ptr的地址

七、测试代码展示

&.cpp

#include <iostream>
using namespace std;
//void TestRef()
//{
//    int a = 10;
//    int& ra = a;//<====定义引用类型
//    printf("%p\n", &a);
//    printf("%p\n", &ra);
//}
void TestRef()
{
    int a = 10;
    // int& ra;   // 该条语句编译时会出错
    int& ra = a;
    int& rra = a;
    printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);
}
void increment(int& i) {
    i++;
}
void Swap(int* a, int* b)
{
    int tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}
void _Swap(int& a, int& b)
{
    int tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
}
//int main()
//{
//    //TestRef();
//    //int x = 10;
//    //increment(x);
//    //cout << x; // 输出11
//    int x = 0, y = 100;
//    cout << x << "  " << y << endl;
//    //Swap(&x, &y);
//    _Swap(x, y);
//    cout << x << "  " << y << endl;
//    return 0;
//}
//void print(const int& i) {
//    cout << i;
//}
//
//int main() {
//    int x = 10;
//    /*int a = 10;
//    const int& ra = a;
//    int p = a;*/
//    const int a = 10;
//    //int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量
//    int p = a;
//    print(p);
//    return 0;
//}
//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;
//}
#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;
//}
//struct A { int a[10000]; };
//A a;
 值返回
//A TestFunc1() { return a; }
 引用返回
//A& TestFunc2() { return a; }
//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)
//        TestFunc1();
//    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)
//        TestFunc2();
//    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()
//{
//    //TestRefAndValue();
//    TestReturnByRefOrValue();
//    return 0;
//}
int main()
{
    int* ptr = NULL;
    int& r = *ptr;
    cout << r << endl;
    return 0;
}
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