C++引用如何使用

這篇文章主要介紹“C++引用如何使用”的相關(guān)知識(shí)，小編通過(guò)實(shí)際案例向大家展示操作過(guò)程，操作方法簡(jiǎn)單快捷，實(shí)用性強(qiáng)，希望這篇“C++引用如何使用”文章能幫助大家解決問(wèn)題。

一. 引用的概念

引用不是新定義一個(gè)變量，而是給已存在變量取了一個(gè)別名，編譯器不會(huì)為引用變量開(kāi)辟內(nèi)存空間，它和它引用的變量共用同一塊內(nèi)存空間。

類型& 引用變量名(對(duì)象名) = 引用實(shí)體；

如下：

void TestRef()
{
     int a = 10;
     int& ra = a;//<====定義引用類型
     printf("%p\n", &a);
     printf("%p\n", &ra);
}

注意：引用類型必須和引用實(shí)體是同種類型的

二. 引用特性

1. 引用在定義時(shí)必須初始化

2. 一個(gè)變量可以有多個(gè)引用

3. 引用一旦引用一個(gè)實(shí)體，再不能引用其他實(shí)體

如下：

void TestRef()
{
     int a = 10;
     int a2 = 20;
     //a的多個(gè)引用
     int& b = a;
     int& c = a;
     int& d = b;
     int& ra;//該條語(yǔ)句編譯時(shí)會(huì)出錯(cuò)，未初始化
     int &ra = a2;//報(bào)錯(cuò)，引用了其他實(shí)體
     printf("%p %p %p %p\n", &a, &b, &c, &d); 
}

三. 常引用

void TestConstRef()
{
     const int a = 10;
     //int& ra = a; // 該語(yǔ)句編譯時(shí)會(huì)出錯(cuò)，a為常量
     const int& ra = a;
     // int& b = 10; // 該語(yǔ)句編譯時(shí)會(huì)出錯(cuò)，b為常量
     const int& b = 10;
     double d = 12.34;
     //int& rd = d; // 該語(yǔ)句編譯時(shí)會(huì)出錯(cuò)，類型不同
     const int& rd = d;
     //int& c = 100; // 該語(yǔ)句編譯時(shí)會(huì)出錯(cuò)，常量是只讀的
     const int& c = 100;
}

注意：

引用取別名原則：對(duì)原引用變量，讀寫(xiě)權(quán)限只能縮小，不能放大

const int a = 10;

int& ra = a;

編譯不通過(guò)，因?yàn)榉糯罅藱?quán)限，原引用本來(lái)是只讀，但是引用以后卻變成了可讀可寫(xiě)

int& b = 10;

const int& b = 10;

編譯可以通過(guò)，因?yàn)榭s小了權(quán)限，原引用本來(lái)是可讀可寫(xiě)，引用后變成了只讀

double d = 12.34;

int& rd = d;

編譯不通過(guò)，這里比較特殊，看起來(lái)是因?yàn)轭愋筒煌鴪?bào)錯(cuò)，其實(shí)不然，報(bào)錯(cuò)是因?yàn)闄?quán)限放大了，為什么？

int類型要引用double類型，double類型轉(zhuǎn)化到int類型屬于隱式類型轉(zhuǎn)換會(huì)舍棄小數(shù)位，隱式類型轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)變量，double類型到int類型會(huì)創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)變量存儲(chǔ)double變成了int類型的值，這里需要注意，這個(gè)臨時(shí)變量具有常性是只讀的，rd其實(shí)是引用了這個(gè)臨時(shí)變量，因?yàn)榕R時(shí)變量是只讀的，引用了臨時(shí)變量的rd也應(yīng)該是只讀的，所以這就是為什么const int& rd = d 可以編譯通過(guò)。

int& c = 100;

編譯通過(guò)，因?yàn)槌Ａ勘緛?lái)就是只讀的，不加const代表引用后變成了可讀可寫(xiě)，權(quán)限放大。

四. 使用場(chǎng)景

1. 做參數(shù)

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

• 輸出型參數(shù)

• 減少拷貝，提高效率

2. 做返回值

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

減少拷貝

（傳值返回需要拷貝數(shù)據(jù)，傳引用返回直接返回變量的別名）

3. 做返回值需要注意的問(wèn)題

首先，我們要知道當(dāng)函數(shù)返回一個(gè)值時(shí)，會(huì)生成一個(gè)臨時(shí)變量，而函數(shù)的返回類型就是這個(gè)臨時(shí)變量的類型

int Add(int a, int b)
{
    return a + b;
}
int Count()
{
    static int n = 0；
    n++;
    return n;
}
int main()
{
    int temp = Add(2, 3);
    int tmp = Count();
    return 0;
}

以上代碼將a+b（n）的值賦值給臨時(shí)變量，臨時(shí)變量再賦值給temp（tmp），為什么要設(shè)置這個(gè)臨時(shí)變量？

其實(shí)很簡(jiǎn)單，在這個(gè)代碼里是會(huì)有問(wèn)題的，出了函數(shù)作用域a+b的值就已經(jīng)被銷毀了，需要一個(gè)臨時(shí)變量去儲(chǔ)存這個(gè)返回值，再去訪問(wèn)那塊空間是非法的，而被static修飾的n由于它的生命周期變長(zhǎng)了，即使出了函數(shù)也不會(huì)被銷毀

那么問(wèn)題來(lái)了，以下代碼是正確的嗎？

int& Add(int a, int b)
{
     int c = a + b;
     return c;
}
int main()
{
     int& ret = Add(1, 2);
     return 0;
}

很明顯是有問(wèn)題的！這里將c的引用返回 ，而一旦出了函數(shù)c就被銷毀了，這塊空間也被操作系統(tǒng)收回，再將c的引用賦值給ret就變成了非法訪問(wèn)了，就變成了由引用造成的野指針

由上面的問(wèn)題可以衍生出以下代碼：

這里的ret是什么？

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;
}

很明顯是7，ret是c的引用，由于出了函數(shù)以后這塊空間的使用權(quán)還給了操作系統(tǒng)，由于第二次函數(shù)調(diào)用仍然是在第一次函數(shù)調(diào)用的空間進(jìn)行棧幀的建立，因?yàn)閞et的地址（ret的地址就是之前那塊臨時(shí)變量的地址）還是之前那個(gè)地址，所以由于第二次返回c時(shí)建立的臨時(shí)變量已經(jīng)變成了7，所以ret也變成了7

但是一定會(huì)是7嗎？其實(shí)不然，我們知道這塊空間的使用權(quán)還給了操作系統(tǒng)，這塊空間也有可能會(huì)被其他程序使用了，導(dǎo)致數(shù)值變成了不確定性，因?yàn)檫@里是直接馬上又調(diào)用了這個(gè)函數(shù)，所以會(huì)是7，所以，其實(shí)正確答案應(yīng)該是隨機(jī)值才對(duì)

看下面這個(gè)代碼就是典型的例子：

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

這里的輸出語(yǔ)句其實(shí)也是調(diào)用了函數(shù)，由上面可知第一個(gè)是7，那么第二個(gè)呢？隨機(jī)值！因?yàn)檫M(jìn)行了第一次輸出后其實(shí)也是進(jìn)行了函數(shù)調(diào)用，函數(shù)調(diào)用會(huì)建立棧幀，在上一個(gè)輸出建立的棧幀處重新建立了棧幀，函數(shù)調(diào)用前需要先傳參，由于上一個(gè)輸出語(yǔ)句銷毀完棧幀以后ret地址處的值被覆蓋成隨機(jī)值，在第二次輸出語(yǔ)句中此時(shí)就會(huì)把這個(gè)隨機(jī)值作為參數(shù)傳過(guò)去給函數(shù)，導(dǎo)致輸出了隨機(jī)值，所以傳引用返回不是所有情況都可以使用的，像一開(kāi)始加上了static關(guān)鍵字之類的才可以返回，因?yàn)閚的生命周期變長(zhǎng)了，出了函數(shù)作用域沒(méi)有被銷毀，取值都是去靜態(tài)區(qū)取數(shù)據(jù)。

結(jié)論：如果函數(shù)返回時(shí)，出了函數(shù)作用域，如果返回對(duì)象還未還給系統(tǒng)，則可以使用引用返回，如果已經(jīng)還給系統(tǒng)了，則必須使用傳值返回。

五. 傳值傳引用效率對(duì)比

以值作為參數(shù)或者返回值類型，在傳參和返回期間，函數(shù)不會(huì)直接傳遞實(shí)參或者將變量本身直接返回，而是傳遞實(shí)參或者返回變量的一份臨時(shí)的拷貝，因此用值作為參數(shù)或者返回值類型，效率是非常低下的，尤其是當(dāng)參數(shù)或者返回值類型非常大時(shí)，效率就更低。

1. 值和引用傳參時(shí)的效率比較

#include <time.h>
struct A { 
	int a[10000]; 
};
void TestFunc1(A a) {}
void TestFunc2(A& a) {}
void TestFunc3(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 < 10000; ++i)
		TestFunc1(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 < 10000; ++i)
		TestFunc2(a);
	size_t end2 = clock();
	// 以指針作為參數(shù)
	size_t begin3 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
		TestFunc3(&a);
	size_t end3 = clock();
	// 分別計(jì)算兩個(gè)函數(shù)運(yùn)行結(jié)束后的時(shí)間
	cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
	cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end3 - begin3 << endl;
}

2. 值和引用的作為返回值類型的性能比較

#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()
{
     // 以值作為函數(shù)的返回值類型
     size_t begin1 = clock();
     for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
     TestFunc1();
     size_t end1 = clock();
     // 以引用作為函數(shù)的返回值類型
     size_t begin2 = clock();
     for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
     TestFunc2();
     size_t end2 = clock();
     // 計(jì)算兩個(gè)函數(shù)運(yùn)算完成之后的時(shí)間
     cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
     cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}

通過(guò)上述代碼的比較，發(fā)現(xiàn)傳值和指針在作為傳參以及返回值類型上效率相差很大。

六. 引用和指針

在語(yǔ)法概念上引用就是一個(gè)別名，沒(méi)有獨(dú)立空間，和其引用實(shí)體共用同一塊空間。

int main()
{
     int a = 10;
     int& ra = a;
     cout<<"&a = "<<&a<<endl;
     cout<<"&ra = "<<&ra<<endl;
     return 0;
}

在底層實(shí)現(xiàn)上實(shí)際是有空間的，因?yàn)橐檬前凑罩羔樂(lè)绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)的。

int main()
{
     int a = 10;
     int& ra = a;
     ra = 20;
     int* pa = &a;
     *pa = 20;
     return 0;
}

我們來(lái)看下引用和指針的匯編代碼對(duì)比：

引用和指針的不同點(diǎn):

• 引用在定義時(shí)必須初始化，指針沒(méi)有要求（建議初始化）

• 引用在初始化時(shí)引用一個(gè)實(shí)體后，就不能再引用其他實(shí)體，而指針可以在任何時(shí)候指向任何一個(gè)同類型實(shí)體

• 沒(méi)有NULL引用，但有NULL指針

• 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(gè)數(shù)(32位平臺(tái)下占 4個(gè)字節(jié))

• 引用自加即引用的實(shí)體增加1，指針自加即指針向后偏移一個(gè)類型的大小

• 有多級(jí)指針，但是沒(méi)有多級(jí)引用

• 訪問(wèn)實(shí)體方式不同，指針需要顯式解引用，引用編譯器自己處理

• 引用比指針使用起來(lái)相對(duì)更安全

引用和指針的相同點(diǎn)：

雖然從語(yǔ)法角度來(lái)看引用是別名沒(méi)有額外開(kāi)空間，但是底層角度來(lái)看他們是一樣的。

什么是底層角度呢？就是通過(guò)編譯器處理的結(jié)果來(lái)看，以下是指針和引用經(jīng)編譯器處理后的結(jié)果

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)匯編指令是一致的，這就說(shuō)明了從底層角度看這兩個(gè)實(shí)現(xiàn)方式是一樣的

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