我的C++奇迹之旅：值和引用的本质效率与性能比较

📝引用

🌠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。

定义：类型&引用变量名(对象名) = 引用实体； 例如以下代码，在变量名前加一个&，意思是一个引用类型，b是a的别名，也就是a有了一个外号，但还是a本身：

int a = 70;
int& b = a; //引用：b是a的别名

我们接下来看看引用后的地址是否会发生改变： 例如以下例子：

int main()
{
	int a = 70;
	int& b = a; //引用：b是a的别名
	int& c = a; //引用：c是a的别名
	c = 80;

	cout << a << endl;
	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;
	cout << &c << endl;

	return 0;
}

代码运行图：在这个代码中，定义了一个变量a为70，int& b = a; 这里b是a的引用，给a取了一个外号b，int& c = a; 这里c是a的引用，又给a取了一个外号是c，因此我们对c还是对b进行修改，a都会发生改变，这是因为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。

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

🌉引用特性

1. 引用必须在定义时初始化: 引用必须在定义时初始化,不能在之后单独为它赋值。

int a = 10; 
int& ra = a; // 正确,ra初始化为a
int& ra; // 错误,引用必须在定义时初始化

1. 一个变量可以有多个引用

int a = 10;

int& ref1 = a; 
int& ref2 = a;

ref1++; // a的值变为11
cout << a << endl; // 输出11

ref2--; // a的值变为10
cout << a << endl; // 输出10

1. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体 引用本质上就是给原变量添加一个别名,它的内存地址就是原变量的地址。所以对引用赋值或修改,实际上就是修改原变量。而指针不同,指针可以改变指向的对象:一级指针可以改变指向,如p可以从指向a改为指向其他变量，二级指针可以改变一级指针指向的地址,如pp可以改变p指向的地址

而引用更像一个const指针:定义后不能改变指向的对象,就像const指针定义后不能改变指向 但可以通过这个“const指针”来修改原对象,就像通过const指针可以修改原对象

int a = 10;
int b = 20;

int& ref = a; 
ref = b; // 错误!引用ref已经引用a,不能再引用b

cout << ref << endl; // 输出10,ref依然引用a

如图：ref引用了a，这里的值发生改变是因为b赋值给了ref

🌠使用场景

🌉做参数（传值与传地址）

当引用用来做参数时将会对代码进行大大的优化，并且具有可读性，如：当我们看了很多遍的交换了两个数的函数：

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

int main()
{
	int ra = 88;
	int rb = 99;
	Swap(&ra, &rb);
	return 0;
}

形参是实参的一份临时拷贝，所以如果想交换需要，传地址，不能传值。

void Swap(int& a, int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}
int main()
{
	int ra = 88;
	int rb = 99;
	Swap(ra, rb);
	return 0;
}

a和b分别是ra和rb的别名，当你调换a和b的纸时，其实是修改了ra和rb的地址的值，这样的好处就是，当你看代码时，引用a和b给人一种感觉,就是操作ra和rb本身。这隐藏了底层是通过地址操作原变量ra和rb的实现细节。从使用者的角度看,代码读起来就像直接交换ra和rb,而不是通过复杂的地址操作实现。

这里使用了引用挺好的，不用担心指针的解引用，地址相关操作，但是，前面我们知道，引用一旦指向一个实体，就无法改变指向，例如，有关链表操作，当我们要删除一个节点，是不是要改变前面节点的指针，让他指向后面节点，而引用恰恰不能改变，因此，引用也不是完全替代指针的

回归正题，这里还有一个小注意点：作用域的不同，因此，在Swap函数里，取别的名字都可以，任由发挥，结果都相同。

void Swap(int& x, int& x)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
int main()
{
	int ra = 88;
	int rb = 99;
	Swap(ra, rb);
	return 0;
}

🌉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;
}

按值传递(TestFunc1): 调用TestFunc1(a)时,会将a进行拷贝,生成一个临时对象**a_copy**。**a_copy**作为参数传递给TestFunc1。TestFunc1内部操作的实际上是a_copy,对a_copy的修改不会影响实参a。TestFunc1返回时,临时对象a_copy会被销毁。TestFunc1以值方式传递结构体A作为参数。这会导致每次调用都会对A进行值拷贝,对于一个包含10000个int成员的大结构体,拷贝开销很大。

按引用传递(TestFunc2): 调用TestFunc2(a)时,不会进行值拷贝,直接传递a的引用。TestFunc2内部操作的仍然是实参a本身。TestFunc2返回时,不需要销毁任何对象。TestFunc2以引用方式传递A。这种方式下,函数内直接操作的就是实参a本身,不会有任何拷贝开销。

总结： TestFunc1值传递,效率低是因为值拷贝开销大 TestFunc2引用传递,效率高是因为避免了值拷贝，直接操作的就是实参a本身

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。

🌠引用做返回值

int& Count()
{
   static int n = 0;
   n++;
   // ...
   return n;
}

我们先看看下面代码会输出什么结果？

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;
}

在Vs编译运行图：结果是7，真的是正确吗？

问题分析： 如果函数返回时,返回的对象已经超出了函数作用域(即已经被销毁),那么不能返回该对象的引用,必须返回值。

在第一个示例中:

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

这里函数返回了局部变量c的引用,但c在函数返回后就已经被销毁了,所以这是一个未定义行为,输出结果是不确定的。

而在第二个示例中:

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;
}

这里同样是返回了局部变量c的引用,但是在main函数中又调用了一次Add函数,这时第一次调用返回的引用ret已经指向了一个不存在的对象,所以输出结果也是未定义的。

函数返回引用时必须确保返回的对象在调用者作用域内仍然存在,否则就会产生未定义行为。这是C++中函数返回引用需要特别注意的地方。

答案思考： 在Visual Studio上运行这段代码,输出结果是:

Add(1, 2) is :7

这个结果确实是未定义行为,但在某些情况下可能会输出7。之所以会出现这种情况,是因为Visual Studio的编译器在处理这种未定义行为时可能会做一些特殊的优化或处理,导致在某些环境下能够得到一个看似合理的结果。但这种行为是不可靠的,因为它依赖于具体的编译器实现细节。在不同的编译器或环境下,输出可能会完全不同。

正确的做法：是要么返回值,要么返回一个在调用者作用域内仍然存在的对象的引用。这样可以确保代码的行为是可预测和可移植的。

🌉引用和指针的区别

1. 语法概念:
   • 引用是变量的别名,没有独立的存储空间,而是和其引用的实体共用同一块内存空间。
   • 指针是一个独立的变量,存储了另一个变量的内存地址。
2. 声明语法:
   • 引用使用&符号声明,如int& ref = x;
   • 指针使用*符号声明,如int* ptr = &x;
3. 操作方式:
   • 引用直接访问和操作其引用的实体,如ref = 10;
   • 指针需要先解引用(*)才能访问其指向的实体,如*ptr = 10;
4. Null值:
   • 引用不能为空(Null),必须在声明时初始化为一个有效的实体。
   • 指针可以为空(Null),指向空地址0x0。

让我们看看例子来说明引用和指针的区别: 假设我们有一个整型变量x，值为10。 使用引用:

int x = 10;
int& ref = x; // 声明引用ref,它是x的别名
ref = 20; // 通过ref修改x的值
cout << "x = " << x << endl; // 输出 x = 20

ref是x的引用,它们共享同一块内存空间。通过ref修改值,实际上是在修改x的值。 输出x的值为20,因为x的值已经被修改了。

使用指针:

int x = 10;
int* ptr = &x; // 声明指针ptr,存储x的地址
*ptr = 20; // 通过ptr解引用并修改x的值
cout << "x = " << x << endl; // 输出 x = 20

ptr是一个指向x的指针,存储了x的内存地址。通过*ptr解引用并修改值,实际上是在修改x的值。输出x的值为20,因为x的值已经被修改了。

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;
}

我们来看下引用和指针的汇编代码对比得出：在汇编中引用的底层逻辑还是指针，经过编译转换成汇编，还是进行指针的操作

引用和指针的不同点:

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

🌠常引用

从上述代码中,我们可以得出以下关于常引用的结论:

1. 常量引用:

    const int a = 10;
    //int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量
    const int& ra = a;

对于常量对象a,我们可以使用常引用const int& ra = a;来引用它。这样做可以避免对常量进行修改，直接使用非常引用int& ra = a;会在编译时报错,因为不允许对常量进行非常引用。 2. 字面量常引用:

// int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量

const int& b = 10;

我们可以使用常引用const int& b = 10;来引用字面量常量。这样做可以避免创建临时变量， 直接使用非常引用int& b = 10;会在编译时报错,因为字面量不能被非常引用。 3. 类型不匹配的常引用:

double d = 12.34;
//int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
const int& rd = d;

根据类型不同的变量,如double d = 12.34;,我们可以使用常引用const int& rd = d;来引用它，直接使用非常引用int& rd = d;会在编译时报错,因为类型不匹配。