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【C++篇】启航——初识C++（下篇）

article 2024/11/19 19:22:22

接上篇【C++篇】启航——初识C++（上篇）

一、引用

1.引用的概念

2.引用的基本语法

3.引用的特点

3.1 别名

3.2 不占用额外内存

3.3 必须初始化

3.4 不能为 NULL

4.引用的使用

4.1 函数参数传递

4.2 返回值

4.3 常量引用

5.引用和指针的关系

(1).基本定义

(2).初始化

(3).改变指向

(4).访问对象

(5).内存大小

(6).安全性

二、inline

1.定义

2.使用方法

3.优点

4.注意事项

5.适用场景

三、nullptr

总结

一、引用

1.引用的概念

引用（Reference）是 C++ 中的一种类型，它提供了一个变量的别名。引用并不是一种独立的数据类型，而是对已有变量的另一种视图。引用的声明使用 & 符号。

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：⽔壶传中李逵，宋江叫"铁⽜"，江湖上⼈称"⿊旋⻛"；林冲，外号豹⼦头；

2.引用的基本语法

int a = 10;       // 定义一个整数变量
int &b = a;      // b 是 a 的引用

在上面的例子中，b 作为 a 的引用，b 和 a 是同一个对象，修改 b 的值实际上会改变 a 的值。

3.引用的特点

引用的特点：

1.别名：引用是一个变量的别名，对引用的所有操作实际上都是对原变量的操作。

2.不占用额外内存：引用不占用额外的内存空间，只是另一个指向相同内存地址的标识符。

3.必须初始化：引用在创建时必须初始化，并且一旦初始化后不可改变绑定的对象。

4.不能为 NULL：引用不能被赋值为 nullptr，必须引用一个有效的对象。

3.1 别名

引用是一个变量的别名。这意味着对引用的所有操作都是直接对其所引用的变量的操作。引用没有独立的内存空间，它只是在原变量的基础上提供了一个新的名字。

#include <iostream>

int main() {
    int a = 42;        // 定义一个整数变量 a
    int &b = a;       // b 是 a 的引用

    std::cout << "a: " << a << ", b: " << b << std::endl; // 输出 a: 42, b: 42

    b = 100;          // 通过引用 b 修改 a 的值
    std::cout << "After changing b..." << std::endl;
    std::cout << "a: " << a << ", b: " << b << std::endl; // 输出 a: 100, b: 100

    return 0;
}

在这个示例中，b 是 a 的引用，对 b 的修改直接影响 a，反之亦然。

3.2 不占用额外内存

引用本质上是一个别名，不会占用新的内存空间。它只是指向已有变量的地址。因此，引用操作不会增加内存的使用。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 0;
	// 引⽤：b和c是a的别名 
	int& b = a;
	int& c = a;
	// 也可以给别名b取别名，d相当于还是a的别名 
	int& d = b;
	++d;
	// 这⾥取地址我们看到是⼀样的 
	cout <<"a:" << &a << endl;
	cout <<"b:" << &b << endl;
	cout <<"c:" << &c << endl;
	cout <<"d:" << &d << endl;
	return 0;
}

在这个例子中，a、b、c、d的地址相同，证明引用并不占用额外的内存空间。

3.3 必须初始化

引用在创建时必须被初始化。它不能在声明后再被赋值或指向其他变量。这一特性使得引用在使用时更加安全，避免了指向无效对象的风险。

#include <iostream>

int main() {
    int a = 5;

    // int &b; // 错误：引用必须在声明时初始化
    int &b = a; // 正确：b 在声明时被初始化为 a

    std::cout << "a: " << a << ", b: " << b << std::endl; // 输出 a: 5, b: 5

    return 0;
}

试图声明一个未初始化的引用 b 会导致编译错误，而在初始化时，引用可以安全地与一个变量绑定。

3.4 不能为 NULL

引用不能被赋值为 nullptr，它必须引用一个有效的对象。这意味着引用在创建后始终是有效的，避免了指向空地址的风险。

#include <iostream>

int main() {
    int a = 10;
    int &b = a; // 正确，b 引用 a

    // int &c = nullptr; // 错误：引用不能为 NULL

    std::cout << "b: " << b << std::endl; // 输出 b: 10

    return 0;
}

试图将引用 c 赋值为 nullptr 会导致编译错误。这确保了引用始终指向有效的对象。

4.引用的使用

4.1 函数参数传递

使用引用作为函数参数可以有效避免大对象的复制，从而节省内存和时间。通过引用传递参数，函数可以直接修改原始数据，而无需创建副本。

#include <iostream>

void increment(int &num) {
    num += 1; // 直接修改原始数据
}

int main() {
    int value = 5;
    increment(value); // 传递 value 的引用
    std::cout << "Incremented value: " << value << std::endl; // 输出 6
    return 0;
}

在这个示例中，increment 函数接受 num 的引用，对 num 的修改直接影响 value，避免了复制的开销。

4.2 返回值

C++ 中的函数可以返回引用，这样可以在函数外部直接修改原始数据。这种方式在某些情况下可以提高效率，但需要谨慎使用，尤其是返回局部变量的引用是危险的。

#include <iostream>

int& getReference(int &x) {
    return x; // 返回 x 的引用
}

int main() {
    int a = 10;
    getReference(a) = 20; // 直接修改 a
    std::cout << "Updated value: " << a << std::endl; // 输出 20
    return 0;
}

4.3 常量引用

常量引用（const 引用）允许我们通过引用访问变量，但不允许修改它。这在需要保护数据不被意外修改时非常有用，尤其是在传递大型对象时，可以避免复制并保护原始数据。

#include <iostream>

void printValue(const int &num) {
    std::cout << "Value: " << num << std::endl; // 只读操作
}

int main() {
    int a = 10;
    printValue(a); // 输出 10
    printValue(20); // 可以传递字面量，输出 20
    return 0;
}

在这个例子中，printValue 函数接受 const int &num 作为参数，意味着它只能读取 num 的值，而不能修改。这样不仅保证了数据的安全性，还避免了复制的开销。

5.引用和指针的关系

引用和指针是 C++ 中两个重要的概念，它们都可以用于间接访问变量，但在语法、功能和使用方式上存在显著差异。下面将从几个方面比较它们。

(1).基本定义

引用：引用是一个变量的别名，它指向一个已有变量，并且在创建时必须初始化。引用不占用额外的内存空间，只是原变量的另一个名称。

指针：指针是一个变量，它存储一个地址，指向另一个变量的内存位置。指针在定义时不一定要初始化，可以在之后赋值。

(2).初始化

引用：在定义引用时，必须立即初始化并引用一个有效的对象。一旦绑定到某个变量后，就无法改变引用的对象。

int a = 10;
int &b = a; // 必须初始化

指针：指针在定义时不需要初始化，可以稍后赋值。指针可以随时指向不同的对象。q

int *p; // 不初始化，指向未知
int a = 10;
p = &a; // 指向 a

(3).改变指向

引用：引用一旦初始化后，就不可以再改变引用的对象。

int a = 10;
int &b = a;
// b = 20; // 这将改变 a 的值为 20，但 b 仍然引用 a

指针：指针可以在程序运行时动态改变指向的对象。

int a = 10;
int b = 20;
int *p = &a; // p 指向 a
p = &b;      // p 现在指向 b

(4).访问对象

引用：可以直接使用引用访问所引用的对象，语法上更简洁。

int a = 10;
int &b = a;
std::cout << b; // 直接访问

指针：需要使用解引用操作符 * 访问指针指向的对象。

int a = 10;
int *p = &a;
std::cout << *p; // 解引用访问

(5).内存大小

引用：在 sizeof 运算中，引用的结果是引用对象的大小，不占用额外的内存。

int a = 10;
int &b = a;
std::cout << sizeof(b); // 输出 sizeof(int)

指针：在 sizeof 运算中，指针的大小是固定的（在 32 位平台上通常为 4 字节，64 位平台上为 8 字节）。

int *p;
std::cout << sizeof(p); // 输出 4 或 8

(6).安全性

引用：因为引用不能为 NULL，也不会出现悬挂引用的问题，所以相对更安全。

指针：指针容易出现空指针和悬挂指针的问题，需要额外的小心和处理。

int *p = nullptr; // 空指针
// int a = *p; // 会导致未定义行为

二、inline

1.定义

inline是C++中的一个关键字，主要用于建议编译器在调用函数的地方直接插入该函数的代码，而不是通过常规的函数调用。这通常用于小型函数，以减少函数调用的开销。

2.使用方法

在C++中，使用inline非常简单。你只需在函数定义前加上inline关键字。例如：

inline int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

3.优点

性能提升：通过减少函数调用的开销（如压栈、弹栈等），可以提高程序性能，尤其是在频繁调用的小函数中。
代码可读性：小函数的使用使得代码更加模块化和易于理解。

4.注意事项

编译器的决定：虽然你可以建议编译器使用inline，但编译器并不一定会接受这个建议。它可能根据函数的复杂度和其他因素决定是否进行内联。
代码膨胀：如果一个inline函数被多次调用，编译器会在每个调用点插入函数体，可能导致代码膨胀，增加最终二进制文件的大小。
调试困难：内联函数在调试时可能会使得调用栈不如预期，因为调用点会被替换为函数体。

5.适用场景

短小函数：适合将那些逻辑简单、体积小的函数标记为inline。
频繁调用的函数：例如，在循环中频繁调用的简单函数，使用inline可能会有显著性能提升。

三、nullptr

NULL实际是⼀个宏，在传统的C头⽂件( stddef.h )中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL
    #ifdef __cplusplus
    	#define NULL 0
    #else
    	#define NULL ((void *)0)
    #endif
#endif

• C++中 NULL 可能被定义为字⾯常量0，或者C中被定义为⽆类型指针( void* )的常量。不论采取何种定义，在使⽤空值的指针时，都不可避免的会遇到⼀些⿇烦，本想通过 f(NULL) 调⽤指针版本的

f(int*) 函数，但是由于 NULL 被定义成0，调⽤了 f(int x) ，因此与程序的初衷相悖。 f((void*)NULL) ;

调⽤会报错。

• C++11中引⼊ nullptr ， nullptr 是⼀个特殊的关键字， nullptr 是⼀种特殊类型的字⾯量，它可以转换

成任意其他类型的指针类型。使⽤ nullptr 定义空指针可以避免类型转换的问题，因为 nullptr 只能被

隐式地转换为指针类型，⽽不能被转换为整数类型。

#include<iostream>
using namespace std;
void f(int x)
{
    cout << "f(int x)" << endl;
}
void f(int* ptr)
{
    cout << "f(int* ptr)" << endl;
}
int main()
{
    f(0);
    // 本想通过f(NULL)调⽤指针版本的f(int*)函数
    //但是由于NULL被定义成0，调⽤了f(int x)，因此与程序的初衷相悖。 
    f(NULL);
    f((int*)NULL);
    // 编译报错：“f”: 2 个重载中没有⼀个可以转换所有参数类型 
    // f((void*)NULL);

    f(nullptr);
    return 0;
}