初谈C++：引用

南桥

发布于 2024-02-01 08:16:50

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发布于 2024-02-01 08:16:50

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前言

在学习C语言的时候会遇到指针，会有一级指针、二级指针…很容易让人头昏脑胀。在C++里面，引入了引用的概念，会减少对指针的使用。引用相当于给一个变量起了一个别名，比如“高总”指的是小编。

概述

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。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体

#include<iostream>

using namespace std;

int main()
{

	int a = 10;
	int& b = a;
	int& c = a;

	return 0;
}

调试过程中，发现引用变量的地址和引用实体的地址是相同的，也就是说引用实际上就是给一个变量起了一个别名。

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

引用和C语言中只针的操作其实差不多，我们在反汇编语言中可以看到：

引用特性

1. 引用在定义时必须初始化

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra;   //错误语法

	return 0;
}

在这段代码中，int& ra没有初始化，编译器会报错

正确代码：

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;

	return 0;
}

一个变量可以有多个引用

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	int& rra = a;

	return 0;
}

上述代码中，ra、rra都是对变量a的引用。这是没有问题的，比如小编有不止一个外号。

引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

int main()
{
	int a = 10;
	int temp = 20;
	int& ra = a;
	ra = temp;
	cout << ra << endl;
	cout << a << endl;

	return 0;
}

运行结果：

在这段代码中ra是变量a的引用，ra=temp是将temp的值赋给ra引用的实体，即a。

应用场景

做参数

效果：

做输出型参数，形参的改变可以影响实参
减少拷贝，提高效率

void Swap(int& a,int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

int main()
{
	int x = 0, y = 1;
	Swap(x, y);
	cout << x << " " << y << endl;

	return 0;
}

运行结果：

上述代码确实实现了交换两个数字的功能

形参a是对实参x的引用，和x表示同一块空间；形参b是对实参y的引用，和y表示的是用一块空间。所以，在函数内交换a和b实际上就是在交换x和y。

做返回值

以前的传值返回：

int Add(int a, int b)
{
	int sum = a + b;
	return sum;
}

int main()
{
	int x = 4;
	int y = 3;
	int ans = Add(x, y);
	cout << ans << endl;
	return 0;
}

这里随着函数栈帧调用的结束，sum也会销毁。那为什么最后还能打印出最终结果？

对于这种传值返回，会有一个临时变量的生成，这种临时变量是用来存储返回值的，当返回值比较小的时候，这个临时变量就是寄存器。通过反汇编，我们可以看到：把sum值赋给了寄存器eax。

以上是在局部变量中

那么以satic修饰的变量在静态区，此变量虽然不会随着调用函数的栈帧销毁而销毁，但是在传值返回的时候也会创建临时变量。

因此不难看出，传值返回都会生成一个中间变量。

以上是以前的写法，那么在学了引用后，我们需要使用引用返回：

引用返回和传值返回不同，函数栈帧销毁后，不需要创建临时变量来存储返回值。但是函数栈帧销毁后，返回的变量仍然存在。

也就是说，返回的变量不能存储在调用的函数的栈帧中，所以返回的变量是存储在静态区的变量或者是在堆上申请的变量。

先来看下面的代码：

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;
}

运行结果：

并不是我们需要的结果，这是为什么呢？

主函数中，首先调用的是函数Add(1,2)，此函数函数调用结束后，该函数对应的栈空间就被回收了，也就是说Add函数中c变量就没有意义了。中ret引用Add函数返回值实际应用的就是一块已经被释放的空间。然后调用Add(3,4)函数，此函数函数调用结束后，该函数对应的栈空间就被回收了，也就是说Add函数中c变量就没有意义了。注意：空间被收回是说空间不能使用了，但是空间本身还在，而ret引用的c的位置被修改成了7，因此ret的值就被修改了。

关于引用返回需要强调的是：

函数运行时，系统需要给该函数开辟独立的栈空间，用来保存该函数的形参、局部变量以及一些寄存信息等
函数运行结束后，该函数的栈空间就会被系统收回
空间被收回指的是这块栈空间暂时不能被使用，但是内存还在

注意： 如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在(还没还给系统)，则可以使用引用返回，如果已经还给系统了，则必须使用传值返回。

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。

#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;
}

int main()
{
	TestRefAndValue();

	return 0;
}

运行结果：

性能比较：

#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;
}

int main()
{
	TestReturnByRefOrValue();
	return 0;
}

运行结果：