寫在前面

我們今天來分享一下關(guān)于引用的知識點,這里都是一些比較基礎(chǔ)的知識,后面在類里面就可以進一步的使用引用了,一起努力.??.

引用初階

引用是C++的特性的之一，不過C++沒有沒有給引用特意出一個關(guān)鍵字，使用了操作符的重載。引用在C++中很常見，常見就意味著它很重要。我們分兩個境界來談?wù)勔?初階是我們能在書上看到的.

什么是引用

引用不是新定義一個變量，而是給已存在變量取了一個別名，編譯器不會為引用變量開辟內(nèi)存空間，它和它引用的變量共用同一塊內(nèi)存空間 .所謂的取別名,就是取外號,張三在朋友面前可能叫三子,在長輩面前可能叫三兒,但是無論是叫三子還是三兒,他們叫的就是張三,這是無可否認(rèn)的.引用的符號&和我們?nèi)〉刂返?操作符一樣的,后面我們就會知道這是操作符構(gòu)成重載的原因.

我們可以理解所謂的引用.

#include 
int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;       //  b 是 a的一個別名
	printf("%p\n", &a);
	printf("%p\n", &b);
	return 0;
}

為何要有引用

引用有很多優(yōu)點,其中有一個就是可以簡化代碼,我們在C語言中寫過如何交換兩個整型數(shù)據(jù)，需要借助一維指針，但是這有一點麻煩，使用引用就可以很好的解決這個問題．

#include 

void swap(int& a, int& b)
{
	int c = a;
	a = b;
	b = c;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	printf("交換前  a = %d b = %d\n", a, b);
	swap(a, b);
	printf("交換后  a = %d b = %d\n", a, b);
	return 0;
}

引用指向同一塊空間

我們無論給變量取多少外號,但是這些外號所指向的空間是一樣的,我們只要修改一個外號的空間,就會導(dǎo)致其他外號值得修改.

#include 

using namespace std;

int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;  //b 是  a  的別名
	int& c = b;  //還可以對c取別名
	return 0;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;  //b 是  a  的別名
	int& c = b;  //還可以對c取別名

	c = 20;

	cout << "a: " << a << endl;
	cout << "b: " << a << endl;
	cout << "c: " << a << endl;
	return 0;
}

引用的特性

即使引用很好使用,但是我們還要關(guān)注他們的一些特性.

定義時必須初識化

這個要求很嚴(yán)格,我們必須在引用的時候給他初始化,否則就會報錯.

#include 

using namespace std;

int main()
{
	int a = 10;
	int& b;
	return 0;
}

一個變量可以多次引用

這個特性我們前面和大家分享過了,我們可以對一個變量多次取外號,每一個外號都是是這個變量的別名,我們甚至可以對外號取外號,不過我們一般不這么干.

引用一旦引用了一個實例,不能在再引用其他的實例

這個特性完美的闡釋了引用的專一性,一旦我們給某一個變量起了一個別名,這個別名就會跟著這個變量一輩子,絕對不會在成為其他的變量的別名.這個也是和指針很大的區(qū)別,指針比較花心.

這個我們就不通過代碼打印各個變量的地址了.,我們觀看另外一種現(xiàn)象,通過觀察我們看到a的值也被修改了,可以確定 b 仍舊a的別名.

int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;
	int c = 20;
	// 這個一定是賦值
	b = c;
	cout << "a: " << a << endl;
	return 0;
}

---

引用進階

我們已經(jīng)看到引用的優(yōu)點,但是這是引用的基礎(chǔ)用法,要是到那里,我們一般看書都可以做到,現(xiàn)在要看看引用更加詳細(xì)的知識.

常引用

我們在C語言中,專門分享過const相關(guān)的知識,那么我們?nèi)绾螌onst修飾的變量取別名呢?這是一個小問題.

const int a = 10;

我們看看下面的方法.

int main()
{
	const int a = 10;
	int& b = a;        //報錯
	const int& c = a;  // 不報錯
	return 0;
}

到這里我們就可以發(fā)現(xiàn),我們?nèi)e名的時候也用const修飾就可以了,這是我們從現(xiàn)象中的得出的結(jié)論,但是這又是因為什么呢?我們需要知道他們的原理.

權(quán)限

不知道大家有沒有在學(xué)習(xí)中看到過這樣一種現(xiàn)象,對于一個文件,我們可能存在僅僅閱讀的權(quán)限,自己無法修改,但是其他的人有可能有資格修改,這就是權(quán)限的能力,const修飾變量后,使得變量的加密程度更加高了,我們?nèi)e名的時候,總不能把這個權(quán)限給過擴大了,編譯器這是不允許的,也就是說我們?nèi)e名的時候,權(quán)限只能往低了走,絕對不能比原來的高.

下面就是把權(quán)限往縮小了給

int main()
{
    int a = 10;
	const int& b = a;
	return 0;
}

給常量取別名必須要是const修飾的,因為常量不能修改.

int main()
{
	const int& a = 10;
	
	return 0;
}

臨時變量具有常屬性

這個是語法的一個知識點,我們記住就可以了,現(xiàn)在我們就要看看為什么這個代碼會可以運行.

我們常引用 還有最后一個問題，如果我們是double類型的變量，如何給取一個int類型的別名？

需要用const修飾,而且會發(fā)生截斷,

int main()
{
	double d = 1.2;

	const int& a = d;       //需要用const修飾
	cout << a << endl; 
	return 0;
}

它的本質(zhì)不是取別名,而類似于給常量取別名,而且還會發(fā)生截斷.這個說截斷也不太合適,這會產(chǎn)生一個臨時變量,我把原理圖放在下面.

int main()
{
	double d = 1.2;

	const int& a = d;
	cout << "&a :" <<&a << endl;
	cout << "&d :" <<&d << endl;
	return 0;
}

引用的場景

我們需要來看看引用的使用場景,它主要有兩大作用.

• 做參數(shù)
• 做返回值

做參數(shù)

我們可以使用引用來交換兩個整型數(shù)據(jù).

#include 

void swap(int& a, int& b)
{
	int c = a;
	a = b;
	b = c;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	printf("交換前  a = %d b = %d\n", a, b);
	swap(a, b);
	printf("交換后  a = %d b = %d\n", a, b);
	return 0;
}

但是使用引用作為參數(shù)可能會出現(xiàn)權(quán)限不太匹配的錯誤,所以說我們需要const修飾.

下面就是由于權(quán)限問題,我們沒有辦法來給常量卻別名,這就需要const修飾.

void func(int& a)
{

}

int main()
{
	int a = 10;
	double b = 10.2;

	func(a);     
	func(10);
	func(b);
	return 0;
}

返回值

我們先看看返回值的原理,再說說引用做返回值.

返回值的原理

我們需要談?wù)劸幾g器是如何使用返回值的,以下面的代碼為例.

int func()
{
	int n = 1;
	n++;
	return n;
}

int main()
{
	int ret = func();
	return 0;
}

編譯器會看這個返回值的空間大不大,如果不大,就把的數(shù)據(jù)放到一個寄存器中,如果很大,看編譯器的機制,有的編譯器甚至可能在main函數(shù)中開辟這個空間來臨時保存數(shù)據(jù).

這是由于當(dāng)函數(shù)結(jié)束后,函數(shù)棧幀會銷毀,n的空間也會被釋放,所以要有一個寄存器來保存數(shù)據(jù).

下面的代碼就可以表現(xiàn)出來,

int main()
{
	int& ret = func();
	return 0;
}

引用做返回值

引用做返回值會有很大的要求，這個和我們普通的返回值可不一樣.說實話,我不想和大家分享的那么深,但是已經(jīng)到這里了,只能這樣了.

下面的代碼,我們可以理解,就是給靜態(tài)變量n取一個別名,我們把它返回到了ret.

int& func()
{
	static int n = 1;
	n++;
	return n;
}

int main()
{
	int ret = func();
	cout << ret << endl;
	return 0;
}

也就是說我們n取一個別名,把這個別名作為返回值返回給函數(shù)調(diào)用者.

int& func()
{
	static int n = 1;
	n++;
	cout << &n << endl;
	return n;
}

int main()
{
	int& ret = func();     //  注意 是 int&
	cout << &ret << endl;
	return 0;
}

注意事項

到這里我們就可以看看引用做返回值的注意事項了,我們一定要保證做返回值得引用得數(shù)據(jù)在函數(shù)棧幀銷毀后空間不被釋放,否則就會發(fā)生下面得事情.

我們得到的是一個隨機值,我們拿到了變量 n 的別名,但是在func結(jié)束后空間就被釋放了,下一次函數(shù)的調(diào)用函數(shù)棧幀會覆這篇空間,運氣好的話,我們有可能拿到準(zhǔn)確值,但是無論如何訪問都越界了.

int& func()
{
	int n = 1;
	n++;
	return n;
}

int main()
{
	int& ret = func();
	printf("這是一條華麗的分割線\n");
	cout << ret << endl;
	cout << ret << endl;
	return 0;
}

引用不會開辟空間

前面我們說了傳參需要有一定的要求，但是這不是說引用做參數(shù)不行,我們使用引用傳參不會發(fā)生拷貝,這極大的提高了代碼的效率.

我們定義一個大點的結(jié)構(gòu)體,來看看拷貝傳參和引用傳參的效率.一般情況下相差大概20倍左右.

typedef struct A 
{
	int arr[10000];
} A;

void func1(A a)
{

}

void func2(A& a)
{

}

void TestRefAndValue()
{
	A a;

	// 以值作為函數(shù)參數(shù)
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		func1(a);
	size_t end1 = clock();

	// 以引用作為函數(shù)參數(shù)
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		func2(a);
	size_t end2 = clock();

	// 分別計算兩個函數(shù)運行結(jié)束后的時間
	cout << "func1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "func2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

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

引用和指針比較

它們有一個本質(zhì)的區(qū)別,在語法概念上引用就是一個別名，沒有獨立空間，和其引用實體共用同一塊空間 ,但是引用的底層還是開辟空間的,因為引用是按照指針方式來實現(xiàn).我們看看匯編代碼.

• 引用不會開辟空間,但是指針會開辟相應(yīng)的空間.

底層引用和指針是一樣的.

int main()
{
	int a = 10;
	//語法沒有開辟空間  底層開辟了
	int& b = a;
	b = 20;

	//語法開辟空間  底層也開辟了
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	return 0;

我們來看看它們其他的比較小的區(qū)別,我就不詳細(xì)舉例了.

1. 引用在定義時必須初始化，指針沒有要求
2. 引用在初始化時引用一個實體后，就不能再引用其他實體，而指針可以在任何時候指向任何一個同類型實體
3. 沒有NULL引用，但有NULL指針
4. 在sizeof中含義不同：引用結(jié)果為引用類型的大小，但指針始終是地址空間所占字節(jié)個數(shù)(32位平臺下占4個字節(jié))
5. 引用自加即引用的實體增加1，指針自加即指針向后偏移一個類型的大小
6. 有多級指針，但是沒有多級引用
7. 訪問實體方式不同，指針需要顯式解引用，引用編譯器自己處理
8. 引用比指針使用起來相對更安全

---

內(nèi)聯(lián)函數(shù)

以inline修飾的函數(shù)叫做內(nèi)聯(lián)函數(shù)，編譯時C++編譯器會在調(diào)用內(nèi)聯(lián)函數(shù)的地方展開，沒有函數(shù)壓棧的開銷，內(nèi)聯(lián)函數(shù)提升程序運行的效率,本質(zhì)來說就和我們的宏比較相似.

記住我們不關(guān)心他們在那個過程中展開,只需要記住他會展開就可以了.我么看看內(nèi)聯(lián)函數(shù)的知識點.

為何存在 內(nèi)聯(lián)函數(shù)

對于一些比較小的函數(shù),我們總是調(diào)用函數(shù)開銷比較的,我們是不是存在一個方法減少這個開銷呢?C語言通過宏來實現(xiàn),C++支持C語言，所以我們可以通過行來實現(xiàn)，那么你給我寫一個兩數(shù)現(xiàn)相加的宏，要是你寫的和下面的不一樣，就代表你忘記了一部分知識點．

#define ADD(x,y) ((x) + (y))       //不帶  ;   括號要帶

我們就可以理解了,宏很好,但是寫出一個正確的宏很困難,但是寫一個函數(shù)就不一樣了,所以一些大佬就發(fā)明了內(nèi)斂函數(shù),用來替代宏的部分功能.

展開短小的函數(shù)

函數(shù)內(nèi)聯(lián)不內(nèi)聯(lián)不是你說了算,我們用inline修飾就是告訴編譯器這個函數(shù)可以展開,至于是否展開還是看編譯器,一般之后展開比較短小的函數(shù),較大的函數(shù)不會展開,像遞歸的那些也不可以.

inline void swap(int& x, int& y)
{
	int ret = x;
	x = y;
	y = ret;
}

int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;
	swap(a,b);
	cout << "a: " << a << endl;
	cout << "b: " << b << endl;
	return 0;
}

我們來看看內(nèi)聯(lián)函數(shù),如果函數(shù)不是內(nèi)聯(lián)了的,匯編語言會call

void swap(int& x, int& y)
{
	int ret = x;
	x = y;
	y = ret;
}

如果在上述函數(shù)前增加inline關(guān)鍵字將其改成內(nèi)聯(lián)函數(shù)，在編譯期間編譯器會用函數(shù)體替換函數(shù)的調(diào)用.

由于我們使用的是VS編譯器,這里需要看看內(nèi)聯(lián)函數(shù)的匯編語言.

在release模式下，查看編譯器生成的匯編代碼中是否存在call swap,但是編譯器會發(fā)生優(yōu)化,我們通過debug模式下,但是需要設(shè)置.

inline修飾的較短函數(shù)展開了,沒有call

inline void swap(int& x, int& y)
{
	int ret = x;
	x = y;
	y = ret;
}

內(nèi)聯(lián)函數(shù)的特性

我們需要來看看函數(shù)的基本的特性

1. inline是一種以空間換時間的做法，省去調(diào)用函數(shù)額開銷。所以代碼很長或者有循環(huán) / 遞歸的函數(shù)不適宜使用作為內(nèi)聯(lián)函數(shù)。
2. inline 對于編譯器而言只是一個建議，編譯器會自動優(yōu)化，如果定義為inline的函數(shù)體內(nèi)有循環(huán)/遞歸等，編譯器優(yōu)化時會忽略內(nèi)聯(lián)。
3. inline不建議聲明和定義分離，分離會導(dǎo)致鏈接錯誤。因為inline被展開，就沒有函數(shù)地址了，鏈接就會找不到。

較大的函數(shù)編譯器不會發(fā)生內(nèi)聯(lián)

編譯器會自動判別這個函數(shù)給不該內(nèi)聯(lián),要是一個函數(shù)比較大,里面存在遞歸,那么還不如不展開呢.一般是10行為依據(jù).

inline void f()
{
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
	cout << "hello" << endl;
}

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

聲明定義一起

如果我們聲明和定義的分離,運行時編譯器會找不到這個函數(shù)的地址的.

這里我么建議直接把內(nèi)聯(lián)函數(shù)直接放到自定義的頭文件中

inline void f()
{

}