【C++】踏上C++学习之旅（三）：“我“ 与 “引用“ 的浪漫邂逅

前言

本文会着重的讲解"引用"的各项用法以及使用时需要注意的一些规则，另外这部分是面试官比较喜欢与指针一起作为问题来提问我们的，所以我在文章的末尾，给大家也准备好了答案！

话不多说，让我们从现在开始与"引用"进行一场浪漫的邂逅的吧！！！

1. "引用"的概念

引用不是一种新的数据类型，而是在C++中给已存在变量起一个别名。编译器不会给引用变量开辟内存空间，它和它引用的变量共用同一块空间。

举个例子，在《水浒传》中，李逵在家中被宋江叫做"铁牛"，在江湖上人称"黑旋风"。那么，我们说"铁牛"和"黑旋风"都是在说李逵这个人，所以说"铁牛"和"黑旋风"就是别名。 在代码的世界里，相信大家已经对别名有所使用，就是typedef这个关键字通常被有做对结构体起别名。在C++中，引用是对变量起别名！

讲解完引用是什么之后，那我们就来看看，引用是如何在代码中表示的。

1.1 "引用"的语法

数据类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体;

下面我来写一段代码，带着大家感受一下"引用"的魅力：

#include<iostream>
using namespace std;int main()
{int a = 10;int& ra = a;  //类型& 引用变量名 = 引用实体;cout << "a = " << a << endl;cout << "ra = "  << ra << endl;return 0;
}

大家在注意引用的定义时，引用变量与引用实体必须得是相同的数据类型。否则，程序会报错的！

2. "引用"的特性

1. 引用在定义时必须初始化；
2. 一个变量可以有多个引用；
3. 一旦有个实体被引用，那么这个引用变量就不能再引用其它实体。

int main()
{int a = 10;//int&ra; //该条语句在编译时会报错int& ra = a;int& rra = a;printf("%p  %p  %p",&a,&ra,&rra);
}

以上的代码案例就能很好的体现出引用的特性！

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3. "引用"的使用场景

光讲引用的定义和特性，相信这一定不能让大家认识到"引用"有多强大，有多舒服。那么，接下来，我结合C语言的代码场景来对比在C++下，引用的强大之处。

3.1 "引用"做参数

"引用"做参数，主要是针对输出型参数。

什么是输出型参数？
输出型参数：通过形参的改变能影响实参的改变。 这类的形参，我们就把它称为输出型参数。当然与之对应的还有输入型参数，这个参数想必大家肯定用的不少，==输入型参数：形参的改变不会影响到实参。==这类的形参，我们称它为输入型参数。

好处：
1. 针对输出型参数
2. 减少拷贝，提高效率（特别是大对象/深拷贝对象）

为了让大家更好的感受到"引用"的"爽"，我将用多个代码在C语言下和C++下做比较：

//场景一：交换两个数(用C语言)
void Swap(int* x, int* y)
{int tmp = *x;*x = *y;*y = tmp;
}//交换两个数(用C++的"引用")
void Swap(int& x, int& y)
{int tmp = x;x = y;y = tmp;
}

struct Stack{int* a;int top;int capacity;
};//场景二：给栈初始化（用C语言）
void StackInit(struct Stack* pst,int STDefault = 4)
{pst->a = (int*)malloc(sizeof(int)*STDefault);if(pst->a == NULL){perror("malloc fail");exit(1);}pst->top = 0;pst->capacity = STDefault;
}//给栈初始化(用C++的"引用")
void StackInit(struct Stack& st,int STDefault = 4)
{st.a = (int*)malloc(sizeof(int)*STDefault);if(st.a == NULL){perror("malloc fail");exit(1);}st.top = 0;st.capacity = STDefault;
}int main()
{struct Stack st;//用C语言的版本StackInit(&st);//用C++的版本StackInit(st);
}

大家可以仔细对比一下，是C语言指针的写法好用，还是C++的"引用"好用。

在StackInit函数中struct Stack& st这个形参就相当于输出型参数，当然这个想象在Swap函数更加明显。

好了，"引用"作为形参的第一个好处我理解了，那第二个好处又怎么解读呢？

我说引用作为参数，可以减少拷贝，提高效率 ，这个点就体现在函数栈帧的创建和销毁中。如果对这方面不了解的读者，可以看一下往期我写的文章：【C语言】函数栈帧的创建和销毁（启航——迎接崭新的自己）。

回到主线上，我们在调用一个函数时，会在栈区给函数的调用开辟一块空间，这块空间就是函数的栈帧，编译器开会就会往栈中压入以西寄存器之类的东西。重点来了，随后，它就会把我们的形参从右往左依次压入栈中，在这个过程中是通过寄存器将形参先拷贝下来，而这段拷贝是要花时间的。 而我们使用"引用"的话，就可以掠过拷贝的过程，这将这个变量给放到栈中，减少了拷贝的花销。

大家可以拷贝一下程序，在你自己的电脑检测一下：

#include<iostream>
#include<time.h>
using namespace std;//减少拷贝，提高效率
struct test //创建一个大对象
{int a[10000];
};test a;
void Func1(test a) {};
void Func2(test& a) {};int main()
{int begin1 = clock();for (int i = 1; i <= 10000; i++){Func1(a);}int end1 = clock();int begin2 = clock();for (int i = 1; i <= 10000; i++){Func2(a);}int end2 = clock();cout << "time void Func1(test a) : " << end1 - begin1 << endl;cout << "time void Func2(test& a) : " << end2 - begin2 << endl;return 0;
}

可以看到，引用确实是提高了程序的效率！

当然，引用不仅在参数中能大放异彩，它在做函数返回值时也同样优秀。

3. 2 "引用"做返回值

好处：
1. 减少拷贝，提高效率（特别是大对象/深拷贝对象）
2. 修改返回值 + 获取返回值

请大家看下面的代码：

#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;
}

3.2.1 "引用"做返回值时需要注意的点

请大家想看看下面这个代码的结果：

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;
}

可以看到引用作为返回值时，及其容易出错，那错误的原因就是"非法访问"。

有的读者此时就会说，程序也没有崩溃，何来的"非法访问"一说？
有时候并不是编译器不报错就不代表你这个代码没有问题，就像数组越界一样。

🍉那我们该怎么理解"非法访问"这一说呢？
这就又要牵扯到函数栈帧的知识了。函数栈帧在被销毁时，编译器做了一个这样的策略，它会将这个返回值用一个寄存器给保存起来。如果我们用"引用"的话，就相当于直接拿着这个返回值的地址了，所以函数栈帧销毁时，会把这块返回值空间的使用权归还给操作系统，此时我们还要用的话，就相当于"非法访问"了。

那有眼尖的读者就会看到，就算是这样，结果也是没有问题的啊。
这是因为编译器在函数栈帧销毁时的处理方式不同：

两种处理方式：

1. 函数栈帧销毁时，编译器不清空栈帧里面的内容
2. 函数栈帧销毁时，编译器会清空栈帧里面的内容

显然，我们的编译器是选择前者的方案。

可以看看一下这个代码，让你感觉到用"引用"作为返回值是否非法访问了：

#include<stdlib.h>
#include<iostream>
using namespace std;int& count(int x)
{int n = x;n++;//...return n;
}int main()
{int& ret = count(10);cout << ret << endl;printf("ssssssssssssssssssssssssss\n");rand();cout << ret << endl;return 0;
}

结果分析：可以看到第二次打印变量ret的值时，发现是一个随机值，这也就是说明了我i们正在非法的访问者我们的内存。

总结：所以我们在用"引用"作为返回值时，一定不要用局部变量作为函数的返回值，或者和说不要使用在栈区上创建的变量，可以使用静态区或者堆区上的变量！

4. 常引用

“引用"还有一种场景，那就是"常引用”。

常引用通常搭配着一个关键字const使用。

int main()
{int& ret1 = func1();  // 权限放大，编译器会报错const int& ret1 = func1(); // 权限平移int ret1 = func1();  // 拷贝int& ret2 = func2();		// 权限平移const int& rret2 = func2();  // 权限缩小return 0;
}

以上的写法都是被允许的。可以看到常引用的权限是小于引用的权限的。

🍉总结：在使用常引用时，我们要注意权限之间的问题，只能进行权限的平移或者权限的缩小。权限的大小关系："引用"权限 > "常引用"权限。

5. "引用"在底层的实现

大家可以看一下下面代码的反汇编代码：

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

以下是对应代码的反汇编代码：

可以看到的是，"引用"的底层也是用指针来实现的！

重点说明：在底层实现上"引用"的确是消耗了空间，但是在语法概念上，我们是认为"引用"是不会单独开辟空间的。我们会通常使用后者的说法。

6. "引用"和"指针"的不同点（面试常考）

1. 🍉引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
2. 🍉引用在定义时必须初始化，指针没有要求
3. 🍉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
4. 🍉没有NULL引用，但有NULL指针
5. 🍉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)
6. 🍉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
7. 🍉有多级指针，但是没有多级引用
8. 🍉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
9. 🍉引用比指针使用起来相对更安全

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