C/C++ | 每日一练 (5)
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文章目录
- C/C++ | 每日一练 (5)
- 题目
- 参考答案
- 引用
- 引用和指针的区别
- 语法
- 使用方式
- 安全和易用性
- 底层差异
- 注意事项
- 引用的生命周期
- 常量引用
- 引用和函数参数
C/C++ | 每日一练 (5)
题目
什么是引用？引用和指针的区别是什么？
参考答案
引用
在 c++ 中，引用是为变量提供了一个别名，使得对引用的操作等同于对原始变量的操作。
需要注意的是，引用必须在声明时初始化，并且一旦初始化后，就与它所引用的变量绑定在一起，不能改变引用的目标。
给出引用的定义，如下所示：
int a = 10;
int& ref = a; // ref 是 a 的引用
此时，ref 和 a 是同一个变量的两个名字，对 ref 的操作等同于对 a 的操作。
注意：本文章中的 “引用” 只讨论作为左值引用，不讨论右值引用的概念和差异。
引用和指针的区别
引用和指针虽然都可以用来操作变量，但它们在具体的使用方式上确实有很大的不同。
下面从：语法、使用方式、安全和易用性这几个方面进行说明。
语法
引用
-
引用在其声明时必须初始化，且不能改变引用的目标。
-
另外引用的语法类似于变量的声明，但需要在类型后面添加
&符号。 -
引用没有自己的内存地址，它和所引用的变量共享同一个内存地址。
指针
- 指针可以不初始化（
nullptr），也可以随时改变指向的目标。 - 指针的声明需要在类型前加
*，并且需要通过解引用操作符*来访问指针所指向的内容。 - 指针有自己的内存地址，存储的是目标变量的地址。
使用方式
引用
引用常用于函数参数传递（避免拷贝）和返回值（返回对象的别名）。
void increment(int &x)
{
x++; // 直接操作引用
}
int main()
{
int a = 10;
increment(a); // 传递引用
return 0;
}
指针
指针常用于动态内存分配（如 new 和 delete）、链表等数据结构。
#include <iostream>
int main(int argc, char const *argv[])
{
int *a = new int();
*a = 10;
std::cout << *a << std::endl; // 10
delete a;
return 0;
}
安全和易用性
引用
- 引用更安全，因为它不能为
nullptr，并且不能改变引用的目标。
int main()
{
int *ptr = nullptr; // 合法
// int &ref = nullptr; // 错误：引用不能为nullptr
int a = 10;
int b = 20;
int &ref = a;
ref = b; // 注意：这句话的含义并不是将ref重新指向b,而是将b的值赋值给a,因为ref是a的引用
return 0;
}
- 引用的使用方式更直观，代码更简洁。
指针
- 指针更为灵活，但同时也更容易出错，例如野指针（指向无效内存的指针）、空指针解引用。
- 指针使用时需要注意更多的边界检查，例如检查是否为
nullptr。
底层差异
为了从底层更为深入的了解引用和指针的差异，下面给出一段代码，将这段代码编译成会汇编，从汇编的角度观察两者之间的区别，如下所示：
void increment(int& x) {
x = x + 1;
}
int main() {
int a = 10;
increment(a);
return a;
}
汇编代码如下所示：
$ cat test.s
_Z9incrementRi:
pushq %rbp # 建立_Z9incrementRi函数栈帧
movq %rsp, %rbp
movq %rdi, -8(%rbp) # 通过rdi寄存器传递，保存参数x的地址
movq -8(%rbp), %rax # 将x的地址加载到%rax
movl (%rax), %eax # 通过地址加载x的值
leal 1(%rax), %edx # x + 1，结果存储在%edx
movq -8(%rbp), %rax # 再次加载x的地址
movl %edx, (%rax) # 将结果写回到x的地址
nop
popq %rbp # 恢复栈帧
ret # 返回
main:
endbr64
pushq %rbp # 建立main函数栈帧
movq %rsp, %rbp
subq $16, %rsp
movq %fs:40, %rax
movq %rax, -8(%rbp)
xorl %eax, %eax
movl $10, -12(%rbp) # 初始化变量a = 10
leaq -12(%rbp), %rax # 获取a的地址
movq %rax, %rdi # 将a的地址传递给increment
call _Z9incrementRi # 调用increment函数
movl -12(%rbp), %eax # 将a的值加载到返回寄存器eax
movq -8(%rbp), %rdx # 检查栈
subq %fs:40, %rdx
je .L4
call __stack_chk_fail@PLT
.L4:
leave
ret # 返回
以上汇编代码并不完整，只保留核心代码逻辑。
从以上的代码中可以看出，引用在底层是通过指针实现的。c++ 中的引用本质上是一个“隐藏的指针”，它通过地址直接操作变量。
注意事项
从之前的分析可以看出，引用是一个非常强大且实用的特性，但是在平时使用过程中也有一些使用上的注意事项和限制。
引用的生命周期
引用的生命周期必须与其绑定的对象一致，否则可能导致未定义行为。
#include <iostream>
int& getRef() {
int a = 10;
return a; // warning: reference to local variable ‘a’ returned [-Wreturn-local-addr]
}
int main() {
int &b = getRef();
std::cout << b << std::endl; // Segmentation fault (core dumped)
return 0;
}
在上面的代码中，a 是局部变量，函数返回后 a 的生命周期结束，返回的引用 b 此时指向了一个已经销毁的对象，打印的 b 会导致未定义的行为，从而报错段错误。
常量引用
Best Praetices：如果函数无须改变引用形参的值，最好将其声明为常量引用，以提高代码的安全性和效率。
#include <iostream>
void printVal(const int &x)
{
std::cout << x << std::endl;
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
printVal(10);
return 0;
}
使用 const 引用可以避免不必要的拷贝，同时又保证在函数内部不会修改传入的对象。
引用和函数参数
使用引用作为函数参数时，需要确保传递的参数是有效的对象，不能传递字面量或临时对象（除非是 const 引用或者是右值引用）。
本文章不对右值引用进行讨论。
#include <iostream>
void printVal(int &x)
{
std::cout << x << std::endl;
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
// printVal(10); // error: cannot bind non-const lvalue reference of type ‘int&’ to an rvalue of type ‘int’
return 0;
}
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