C++ -- 入门(引用)

1.引用


1.1引用的概念

        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;
此时a和ra是同一块空间的名字,a就是ra,ra就是a。

void TestRef()
{int a = 10;int& ra = a;//<====定义引用类型cout << &a << endl;cout << &ra << endl;
}

注意:引用类型必须和引用实体同种类型
 


1.2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. 引用定义后,不能改变指向

void TestRef1()
{int a = 10;// int& ra; // 该条语句编译时会出错int& ra = a;int& rra = a;//  引用定义后,不能改变指向int& b = aint c = 2;b = c;//编译出错,引用定义后,不能改变指向cout << &a << endl;cout << &ra << endl;cout << &rra << endl;
}


1.3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;
}

所以,被引用的量只能是变量,且要和被引用的变量类型一致。


 1.4 使用场景

1.做参数

        我们在学习C语言的时候要交换两个数的值,我们是要穿地址的,要用指针接收,但现在使用引用的方式就不需要了。

指针:

void swap(int* a, int* b)
{int c = *a;*a = *b;*b = c;
}
int main()
{int x = 1, y = 2;swap(&x, &y);
}

引用:

void swap(int& a, int& b)
{int c = a;a = b;b = c;
}
int main()
{int x = 1, y = 2;swap(x, y);
}

a是x的别名,b是y的别名。a和b交换就是x和y交换。 


2. 做返回值
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);cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;return 0;
}

Add此时是c的别名,ret也是c的别名,但c的结果不应该是3吗,怎么是这种结果呢?

        像这种情况就是,函数出来作用域了,对应的栈空间已经被收回了,此时c变量就没有意义了,返回的也是随机值了。(详解图)

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。

传值返回,返回是变量的拷贝,引用返回,是返回值的别名

可以使用引用返回的场景(静态变量/全局变量/堆上的变量等)

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

        像这样,静态变量(不在函数栈帧中)出作用域是不销毁的,此时就可以使用引用返回。


1.5传值、传引用效率比较

以值作为参数或者返回值类型
 传值10000次,指针和引用的效率比较

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();
}

        我们可以明显的看到,在此次场景下,引用的效率是要高于指针的。

        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。


值和引用的作为返回值类型的性能比较

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()
{TestReturnByRefOrValue();
}

        

        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。


1.6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 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:

        底层都是开空间的,引用的底层是用指针实现的,只是语法上不需要开空间,所以我们在日常中所说的引用都是不开空间的。

 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(引用不能改变指向,指针可以,这是引用不能代替指针的根本原因。
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(因为没有空引用,但有空指针,容易出现野指针,但不容易出现野引用。因为引用必须初始化。)

10.从底层看,没有引用,都是指针,引用编译后叶转换成指针了。

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