【C++】引用详细解析
目录
- 引用的概念
- 引用的用法
- 引用的特性
- 常引用（涉及权限的放大与缩小）
- 引用的使用场景
- ==**作参数**==
- ==**作返回值**==
- 正确使用引用返回
- 传值、传引用效率比较
- 引用和指针的区别
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"。
引用的用法
用法：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，ra是变量a的别名
printf("%p\n", &a);
printf("%p\n", &ra);
}
注意引用符号和取地址符号是一样的，大家注意区分。
引用的特性
- 引用类型必须和引用实体是同种类型
- 引用在定义时必须初始化
- 一个变量可以有多个引用，即可以有多个变量名
- 引用一旦引用一个实体变量，不能引用其它实体变量
使用实例：
void TestRef()
{
int a = 10;
// int& ra; //1.error：引用在定义是必须初始化
//2.一个变量可以有多个引用（别名）
int& ra = a;
int& rra = a;
printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra); //打印出来都是一样的地址
//3.引用只能引用一个实体变量
int b=0;
//int& ra=b;//error
}
常引用（涉及权限的放大与缩小）
引用的权限和指针一样只能缩小不能放大
int Count()
{
int n=0;
n++;
//...
return n;
}
void TestconstRef()
{
//1.原来的a只可读不可写，int& ra=a之后，ra是a的别名，变成可读可写了，所以会报错
const int a = 10;//常变量
//int& ra = a;//error：a是常量，若用int&，会造成权限的放大
const int& ra = a;//正确写法
//2.10是常量，不可直接引用
//int& b = 10;//error
const int& b=10;//正确写法
//3.引用类型必须和实体类型是同种类型
//特别注意中间存在类型转换的问题,中间会生成临时变量，临时变量具有常性，所以要用const修饰
double d=12.34;
//int& rd=d; //error：类型不同
const int& rd = d; //正确写法
//4.关于函数的返回值，因为函数调用完成之后函数栈帧被销毁了，所以函数返回会生成临时变量，临时变量具有常性，需要const修饰引用
//int& ret=Count();
const int& ret=Count();
return 0;
}
引用的使用场景
引用&的初始化可以发生在三个地方：函数参数列表、类的成员变量列表、普通变量定义时。
作参数
由于形参是实参的一份临时拷贝，形参和实参并不共用一份空间，所以调用函数在创参时会有空间上的开销，那么使用引用之后，c,d只是a,b的别名，它允许我们通过引用来操作原变量，而不需要复制变量的值。减少了临时变量的拷贝空间，提高了效率。
下面是指针做参数
作返回值
引用做返回值有很多坑点，这里我会将所有情况都详细说明。
1.普通函数的传值返回机制
注意就算是静态变量，有static修饰，变量存在于静态区，普通函数返回也会创建临时变量进行返回。
2.引用返回的机制
情况1
情况2：下面含坑点，下图是错误代码
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;
}
即使输出的结果是7，但是也属于错误代码，也是属于非法访问内存问题。
正确使用引用返回
#include<iostream>
using namespace std;
//方法1：普通返回：会创建临时变量
int Count1()
{
int n = 0;
cout << &n << endl;
n++;
return n;//生成临时变量,这里不能用引用返回，函数调用完成后，函数栈帧就销毁了，如果用引用就相当于方法访问内存
}
//方法2：引用返回，不会创建临时变量，但是出来作用域后，变量要存在
int& Count2()
{
static int n = 0;//被static修饰，出函数作用域，返回变量n依然存在静态区,可以使用引用返回
cout << &n << endl;
n++;
return n;
}
int main()
{
int ret1 = Count1();
int ret2 = Count2();
cout << ret1 << endl;
cout << ret2 << endl;
return 0;
}
结论：
- 出了函数作用域，返回变量不存在，不能用引用返回，因为如果用引用返回，是返回变量的别名，但是函数栈帧已经销毁了，变量的空间内存已经回收了，会造成非法访问内存的错误。
- 出了函数作用域，返回变量存在，如static修饰的变量，才可以用引用返回。
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。
参数比较
#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;
}
返回值比较
#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;
}
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。
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，和其引用实体共用同一块空间。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& 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：
指针和引用的区别：
- 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
- 引用在定义时必须初始化，指针没有要求。
- 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。
- 没有NULL引用，但有NULL指针。
- 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)。
- 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。
- 有多级指针，但是没有多级引用。
- 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。
- 引用比指针使用起来相对更安全。