【C++】引用与内联
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1. 前言
在前面的 【C++】C++入门（一）和【C++】C++入门(二)中已经分享了关于C++的一些基础知识，这次分享的是与引用有关的一些笔记。
2. 引用
2.1 引用概念
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：李逵，在家称为"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"。
类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
int main()
{
int a = 0;
// 引用，b就是a的别名
int& b = a;
cout << &b << endl;
cout << &a<< endl;
return 0;
}
b就是a的别名，他们地址是相同的。
在a变化的同时b也变化。
也可以给别名取别名。
在d变化的时候，a、b、c也一起变化。
2.2 引用使用场景
- 做参数 对象比较大，减少拷贝，提高效率 在之前c语言代码写交换函数的时候，需要用到指针。
void Swap(int* a, int *b)
{
int* tmp = a;
a = b;
b = tmp;
}
void Swap(int& a, int &b)
{
int tmp = a;
a = b;
b = tmp;
}
int main()
{
int x = 0, y = 1;
Swap(&x, &y);
Swap(x, y);
return 0;
}需要开空间
而使用引用，而这里直接是给x,y取了一个别名。
- 做返回值
int func()
{
int a = 0;
return a;
}
int main()
{
int ret = func();
cout << ret << endl;
return 0;
}如果用a做返回值，那么是不确定的。
销毁栈帧，vs不清理空间，会给一个临时变量，如果临时变量比较小，通常使用寄存器充当。
int& func()
{
int a = 0;
return a;
}
int main()
{
int ret = func();
cout << ret << endl;
return 0;
}这里ret的结果是不确定的，是随机值，不同的平台可能不一样。
int& func()
{
int a = 0;
return a;
}
int& fx()
{
int b = 1;
return b;
}
int main()
{
int& ret = func();
cout << ret << endl;
fx();
cout << ret << endl;
return 0;
空间的复用。不能返回临时变量或者是局部变量的引用。
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;
}
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。
2.3 引用特性
- 引用在定义时必须初始化
int main()
{
int a = 0;
// 1、引用必须初始化
int& b;
b = c;
return 0;
}像这样的引用就是错误的。
- 引用定义后，不能改变指向
int main()
{
int a = 0;
// 2、引用定义后，不能改变指向
int& b = a;
int c = 2;
b = c; // 不是改变指向，而是赋值
return 0;
}
- 一个变量可以有多个引用，多个别名
2.4 引用和指针的区别
- 指针和引用的功能是类似的，有重叠的
- C++的引用，对指针使用比较复杂的场景进行一些替换，让代码更简单易懂，但是不能完全替代指针
- 引用不能完全替代指针原因：引用定义后，不能改变指向 就像在链表中删除一个节点
在语法概念上引用就是一个别名，没有独立空间，和其引用实体共用同一块空间。
int main()
{
int a = 10;
int& ra = a;
cout << "&a = " << &a << endl;
cout << "&ra = " << &ra << endl;
return 0;
}在底层实现上实际是有空间的，因为引用是按照指针方式来实现的。
int main()
{
int a = 10;
int& ra = a;
ra = 20;
int* pa = &a;
*pa = 20;
return 0;
}
引用和指针的不同点:
- 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
- 引用在定义时必须初始化，指针没有要求
- 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
- 没有NULL引用，但有NULL指针
- 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)
- 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
- 有多级指针，但是没有多级引用
- 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
- 引用比指针使用起来相对更安全
2.5 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;
}2.5.1 值和引用的作为返回值类型的性能比较
#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;
}通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。
3. 内联函数
3.1 内联函数概念
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。
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。 查看方式：
- 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
- 在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则不会展开(因为debug模式下，编译器默认不会对代码进行优化，以下给出vs2022的设置方式)
3.2 特性
- 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。
- 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。下图为 《C++prime》第五版关于inline的建议：
- inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址了，链接就会找不到。 像下面这样
// F.h
#include <iostream>
using namespace std;
inline void f(int i);
// F.cpp
#include "F.h"
void f(int i)
{
cout << i << endl;
}
// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{
f(10);
return 0;
}出现的就是 链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 “void __cdecl f(int)” (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用
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