【浅尝C++】引用

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文章前言：本篇文章简要介绍C++中的引用，每个介绍的技术点，在可能的情况下，都附上代码了。

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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。
就跟现实生活中一样，一个人原名叫做光头强，再给他取了个别名叫帅靓仔。一样地，我们为a变量申请一个空间地址为0x00001010，再为a变量取一个别名叫做superA。此时，a和superA指向的内存地址均是0x00001010。

引用的语法为：变量类型& 引用变量名（对象名） = 引用实体;
下面给出引用语法的示例代码，并演示引用实体及引用变量指向同一内存空间。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int a = 100;
	int& superA = a;
	cout << "a's address is " << &a << endl;
	cout << "superA's address is " << &superA << endl;
	return 0;
}

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的。

引用的特征

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

对于上面3个属性，给出如下代码进行验证👇

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int age = 18;
	// int& refer_age1;	//该代码编译不通过，引用在定义时必须初始化
	int& refer_age2 = age;
	int& refer_age3 = age;
	//这里说明了，一个变量可以有多个引用
	//age变量有refer_age2和refer_age3两个引用。当然，还可以设置更多age的引用
	int newAge = 20;
	refer_age2 = newAge;//这行代码可以正常运行，但这里不是将refer_age2变为newAge的引用，而是将age的值赋值为newAge的值
	
	cout << "age's value is " << age << " and its address is " << &age << endl;
	cout << "refer_age2's value is " << refer_age2 << " and its address is " << &refer_age2 << endl;
	cout << "newAge's value is " << newAge << " and its address is " << &newAge << endl;
	return 0;
}

上面代码运行后，age和refer_age2的地址相同，age、refer_age2、newAge的值均为20。refer_age2 = newAge并不是将refer_age2设置为newAge的引用，而是将refer_age2指向的引用实体的值设置为newAge的值。这行语句的效果等同于age = newAge。因此，引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体。

常引用

我们知道，常量的值是不可以修改的。因此，常量的引用也不可以被赋值，即不能被修改数值。

void TestConstRef()
{
    const int a = 10;
    //int& ra = a;  //该条语句编译时会出错，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;
}

上面代码中，a是常量，因而，其引用必须为const类型的引用。也就是说，引用的操作权限不能高于被引用实体的操作权限（即a不能被修改，则其引用也一定不能被修改）。同理，10是字面常量，因此，引用它的b也必须是常量。将int类型的引用指向double类型的引用实体，此时会发生类型转换，即double类型会被转换为int类型。转换时，编译器会尝试创建一个const int的临时对象，并将double类型转换为const int类型。因此，若给引用赋予引用实体时需要类型转换，该引用也必须为const类型。

使用场景

做参数

在没有引用之前，我们需要使用地址传递才能实现swap函数。如下面的代码👇

#include <iostream>
using namespace std;

void swapByAddress(int* left, int* right)
{
	int temp = *left;
	*left = *right;
	*right = temp;
}

int main()
{
	int num1 = 10, num2 = 20;
	cout << "num1 = " << num1 << ", num2 = " << num2 << endl;
	swapByAddress(&num1, &num2);
	cout << "num1 = " << num1 << ", num2 = " << num2 << endl;
	return 0;
}

有了引用之后，我们就不再需要使用取地址符来传递变量地址，并在给变量赋值时使用解引用运算符了。实现代码如下👇

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main()
{
	int num1 = 10, num2 = 20;
	cout << "num1 = " << num1 << ", num2 = " << num2 << endl;
	swapByReference(num1, num2);
	cout << "num1 = " << num1 << ", num2 = " << num2 << endl;
	return 0;
}

做返回值

与引用做参数一样，如果返回值为指针类型，后续需要对指针进行操作，整体操作比较繁琐。我们可以选择使用引用做返回值。代码如下👇

#include <iostream>

int& addGongDe()
{
	static int gongde = 0;
	++gongde;
	return gongde;
}

int main()
{
	int myGongDe = addGongde();
	cout << myGongde << endl;
	return 0;
}

与指针类型做返回值一样，以引用做返回值时，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。

下面给出一段运行时出错的代码👇

#include <iostream>
using namespace std;

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;
}

在main函数调用Add函数时，栈中增加了a、b、c三个变量，在Add函数返回后，这三个变量的内存空间被释放。在输出时，ret访问了已经释放的内存空间，故出现错误。

值传递与引用传递效率比较

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。

当传递的参数数据量较大时，可以发现：引用传递效率明显高于值传递。下面为该结论的验证代码👇

#include <iostream>
#include <time.h>
using namespace std;

struct Ming{ int a[10000]; };

void Func1(Ming a){}

void Func2(Ming& a){}

void TestRefAndValue()
{
	Ming a;
 	//以值作为函数参数
 	size_t begin1 = clock();
	 for(size_t i = 0; i < 10000; ++i)
	     Func1(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)
	     Func2(a);
	 size_t end2 = clock();

	 //分别计算两个函数运行结束后的时间
	 cout << "Func1(a)->time:" << end1 - begin1 << endl;
	 cout <<  "Func2(s)->time:" << end2 - begin2 << endl;
}

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

不仅在传递函数参数时可以使用引用传递，引用还可以作为返回值。一样地，在数据量较大时，引用做返回值的效率明显高于值传递做返回值。下面为验证该结论的代码👇

#include <iostream>
#include <time.h>
using namespace std;

struct Ming{ int a[10000]; };

Ming a;
//值返回
Ming Func1(){ return a; }
//引用返回
Ming& Func2(){ 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)
	   Func1();
	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)
	   Func2();
	size_t end2 = clock();

	//计算两个函数运算完成之后的时间
	cout << "Func1()-time : " << end1 - begin1 << endl;
	cout << "Func2()-time : " << end2 - begin2 << endl;
}

int main()
{
	TestReturnByRefOrValue();
	return 0;
}

从上面的文字和代码中，我们可以总结出：在程序能正常运行的前提下，传递函数参数及函数返回值时，尽量使用引用传递。

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，和其引用实体共用一块空间。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& refer_a = a;
	refer_a = 20;
	
	int* point_a = &a;
	*point_a = 20;
	
	return 0;
}

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 【引用必须初始化】
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)

void test()
{
	long long num = 16;
	long long& refer_num = num;
	long* point_num = #
	
	cout << sizeof(refer_num) << endl;	//等于sizeof(long long)
	cout << sizeof(point_num) << endl;	//输出结果为指针所占内存空间大小
}

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

void test()
{
	int arr[10] = {0};
	for(size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = i * 2;
	}
	int& refer_arr1 = &arr[1];
	int* point_arr1 = &arr[1];
	++refer_arr1;
	++point_arr1;
	cout << refer_arr1 << endl;		//输出结果为2
	cout << (*point_arr1) << endl;	//输出结果为4
}

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

void test()
{
	int num = 16;
	int& refer_num = num;
	int* point_num = #
	
	cout << refer_num << endl;		//不需要解引用
	cout << (*point_num) << endl;	//解引用操作
}

9. 引用比指针使用起来相对更安全

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文章结语：这篇文章对C++中的引用进行了简要的介绍。
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