初识C++(二)

六、引用

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。

通俗地讲，可以理解为一个人能够拥有多个称呼，这些所有的称呼都是表示这一个人的。

用法：类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

注意：引用类型与引用实体的类型必须一致！

引用使用的注意事项

①引用在定义时必须初始化

②引用初始化后，无法再改变指向

③一个引用实体可以拥有多个引用/别名

下面是关于注意事项的图例：

引用使用举例

交换函数Swap：

那么问题来了：既然能够使用引用来替换指针的一些用途，引用能否完全替换掉指针呢？

不能的！C++设计出引用，是对指针使用复杂的场景进行一些替换，让代码简单易懂，并不能完全替换指针，引用不能够完全替换指针的根本原因在于引用不能够改变其指向。

对于Java/Python而言，是不存在指针的，这两门语言的引用能够改变指向，因此替换掉了指针。

也正是因为C++的引用不能够改变指向，对于链表、二叉树等基于指针链接前后物理不连续的空间的数据结构，也是不能使用引用替换掉指针的！

引用的使用场景

1.做参数

①输出型参数；②对象比较大时，使用引用能够减少拷贝、提高效率。

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。 

2.做返回值

①修改返回对象；②减少拷贝，提高效率。

错误示例

首先，C语言中学到过，当我们在函数中返回临时变量/局部变量的值时，由于函数栈帧的回收，会导致返回的该值是一个随机值，指针中讲到的野指针也是这样类似的情况。

以下是错误的示例：

上图就返回了函数中创建的一个临时变量的值，这样做是错误的。

那么同样的，我们也不能够在上图的返回类型使用引用类型，同样为错误示例，如下所示：

上图函数Func返回类型int&，引用类型的返回，同样不能够作用在临时变量/局部变量上！否则相当于对一块未经允许访问的空间进行了访问，本质是野引用！将这个未经访问的空间a中的值赋给ret，那么ret就是随机值。

同样，ret是别名的错误示例：

返回变量出了函数作用域，生命周期到头，需要销毁(栈帧回收) ，因此不能够使用引用返回！

如局部变量与临时变量。

正确示例

引用不能作用于临时变量、局部变量，那么引用一般作用于什么呢？

引用能够作用于静态变量(如static修饰)、全局变量、堆区开辟空间的变量。

首先在C++中，变量一般被称之为对象，同时C++将结构体升级成了类：结构体中不再只能够定义变量/对象，还能够定义函数。这意味着对于一些数据结构的实现，不再需要采取结构定义与实现函数分离的形式，而是可以直接在类中定义结构和函数进行操作。

类中定义的函数名也较C语言简洁，因为该函数存在于哪个类，就属于哪个类的函数，不需要用复杂的名称来与其他的结构中的函数进行区分！

拿顺序表简单地举个例子： 

顺序表的类：

//正确示范
//C++中的结构体中能够定义对象和函数，结构体一般称之为类
//同时C++不需要使用typedef去除struct，允许直接使用struct后名称
struct SeqList
{
	int* a;
	int size;
	int capacity;

	//相较于C语言的函数操作更为简便
	void Init()//初始化
	{
		int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		a = tmp;

		size = 0;
		capacity = 4;
	}
	void PushBack(int x)//尾插
	{
		//CheckMemorySize(省略)
		a[size++] = x;
	}
	int& Get(int pos)//获取pos下标的数据、使用int&返回别名，也能够修改pos处的数据
	{
		assert(pos >= 0);
		assert(pos < size);

		return a[pos];
	}
	void Destroy()//销毁
	{
		free(a);
		a = NULL;
	}
};

如上我们可以看见，在SeqList类中直接定义初始化、尾插、获取任意位置数据并修改等函数，在形参部分和整体代码量相较于C语言简洁便利许多。同时C++不需要使用typedef去除struct，直接使用类型名即可。

同时，对于获取pos下标处数据与修改，在C语言中本是两个函数分别完成，但是现在可以使用int&的引用类型作为返回值，一个函数就能够搞定，因为它返回的是该下标处数据的别名，对其的修改能够直接体现在数据的修改上。

传值返回，返回的是变量的临时拷贝；传引用返回，返回的是变量的别名。

正因如此，传值无法做到直接改变目标变量，但是传引用却能够轻松完成。

简单插入4个数据对其进行一些数据操作如下图：

如果我们将Get函数的返回类型改为int，那么就会返回目标下标数据的拷贝，即一份临时变量。

临时变量具有常性，即常量性，无法被修改！

如上图，使用引用作为返回值是能够起到很重要的作用的。

引用与指针的区别

引用在底层转换为指针的解释如下图： 

我们对比引用与指针在汇编层面上的指令，发现引用经过编译过程后也被转换为了指针，那么就说明，在底层上，引用是会开空间的，语法层面上引用是别名，不开空间。

引用底层使用指针实现的，引用的语法含义与底层实现是背离的！

通俗点，就像鱼香肉丝中没有鱼，老婆饼也不是老婆做的一样。

七、内联函数

如果调用函数次数过多、需要创建的函数栈帧过多，那么为了提高效率，C语言中通过宏函数的方式来替换函数；而C++通过内联函数的方式使函数在外部直接展开而不用创建栈帧。

对于宏而言，需要注意：1.宏并不是函数；2.宏属于预处理指令，末尾不需要分号，本质是一种替换；3.额外重视括号！括号控制优先级。

宏在预处理阶段就会被替换！

对于一个加法的Add函数，写成宏函数如下：

为什么x、y要单独括号括起来？

因为x、y不一定代表一个值，可能代表一个表达式！如果x、y是表达式，且表达式中的运算符优先级低于+号，那么替换进去就会出现问题！举例如下：

因此我们需要加括号确保绝对的正确顺序。

宏的优缺点？

优点：1.增强代码的复用性；2、提高效率/性能

缺点：1、宏在预处理阶段就被替换，不方便调试；2、可读性差，可维护性差，容易误用；3、没有类型安全的检查。

C++替代宏的技术？

1、常量定义---换用const enum；2、短小函数定义，换用内联函数。

内联函数的概念

以inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数调
用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

未使用inline修饰时，调用Add函数的反汇编代码如下图：

在汇编层面上，我们看到编译器会去找函数Add的指令首地址，从而调用函数。

如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数，在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用，不调用函数，也就不用创建函数栈帧，消除了函数栈帧创建的开销：

release下：直接查看反汇编下汇编代码是否存在call Add

debug下：我们需要将属性-常规-调试信息格式改为程序数据库(/Zi)，属性-优化-内联函数扩展改为只适用于_inline(/Ob1)，这样就能够调试-反汇编查看了

那么使用inline修饰Add函数，使其成为内联函数后，内联函数展开的反汇编如下：

通俗来讲，内联函数就是将函数里面的运算逻辑灵活地在外面实现，而不去创建调用函数所需要的栈帧空间。

内联特点

内联本质上是向编译器发出请求，当函数较大，编译器就会忽略内联的请求，较小函数能够正常内联。

因此较小函数的多次调用，我们可以使用内联inline，较大函数则使用静态static。

1. inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用。缺陷：可能会使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运行效率。

2. inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。

3. inline不建议声明与定义分离，分离的情况会导致链接错误，inline展开函数，就不会在符号表中生成该函数的地址，链接时就无法找到对应函数。

#pragma once解决头文件重复引入的问题，但是并不能解决两个.cpp文件中都包含相同头文件，该头文件又包含某个函数的定义，如下图所示，那么就会存在函数的重定义问题。

有三种方式能够解决这一问题： 

①声明与定义分离

如果不采用声明与定义分离，只通过定义，那么可以使用static或者inline进行操作。 

②采用static静态链接，只在当前文件可见 

③采用inline内联，同理只在当前文件展开

八、auto关键字---C++11

auto：自动推导类型。

对于auto而言，必须要初始化，不然怎么自动推导呢？

实际意义：对于较长类型，可以使用auto简便替代：

如下图的函数指针类型：

再如其他较长的类型：

auto的利弊

优点：简化较长的类型。

缺点：对不熟悉当前代码的人而言，一定程度上影响代码可读性。

注：①C++规定auto不能定义数组。②慎用auto，C++目前允许auto作返回值，但是不建议。

③同一行使用auto声明多个变量，这些变量必须同类型，否则编译器不会通过，编译器只对第一个类型进行推导，然后用该类型定义后面的变量。

上图中auto a = 9 , k = 'c' ;就无法编译通过，因为a与k类型不同但是他俩想用一个auto。

auto不能推导的场景

①auto不能作为函数的参数

②auto不能直接用来声明数组

九、范围for循环---C++11

范围for循环的使用

for(auto e : array)
{
    cout << e ;
}
cout << end;

auto自动推导数组中数据类型，也可以自己填入数组数据类型；e是数组数据的依次的临时拷贝。

范围for循环会自动迭代、自动判断结束。

范围for循环可以使我们的数组遍历过程变得非常简便：

范围for循环的使用条件

①for循环迭代的范围必须确定。

数组即第一个元素到最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供begin和end的方法，begin和end就是for循环迭代的范围。

②迭代的对象要实现++和==的操作

十、指针空值nullptr---C++11

在C++中，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void*)的常量。

因此C++11中创建了nullptr关键字，用于表示指针空值，就不用NULL来表示指针空值了，以避免可能出现的差错。

注：

①在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的    ②在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。                                        ③为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。