【C++航海王：追寻罗杰的编程之路】引用、内联、auto关键字、基于范围的for、指针空值nullptr

枫叶丹

发布于 2024-06-04 11:33:20

1470

发布于 2024-06-04 11:33:20

文章被收录于专栏：C++

1 -> 引用

1.1 -> 引用概念

引用不是新定义一个变量，而是给已经存在的变量取一个别名，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

如：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int x = 5;
    // 定义引用类型
    int& rx = x;

    cout << x << endl << rx << endl;

    return 0;
}

注意：引用类型必须和引用实体同种类型

1.2 -> 引用特性

引用在定义时必须进行初始化；
一个变量可以有多个引用；
引用一旦引用一个实体，就不能再引用其他实体。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int x = 5;
    int& rx; // 不初始化编译会出错
    int& rx = x;
    int& rrx = x;

    cout << x << endl << rx << endl << rrx << endl;

    return 0;
}

1.3 -> 常引用

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    const int x = 5;
    int& rx = x; // 该语句编译时会出错，a为常量
    const int& rx = x;
    int& y = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
    const int& y = 10;
    double z = 3.14;
    int& rz = z; // 该语句编译时会出错，类型不同
    const int& rz = z;

    return 0;
}

1.4 -> 使用场景

做参数

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

做返回值

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

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，则必须使用传值返回。

1.5 -> 传值、传引用效率比较

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，效率非常低下，尤其时当参数或者返回值类型非常大时，效率更低。

#include <iostream>
#include <time.h>
using namespace std;

struct p
{
    int arr[10000];
};

void Test1(p arr)
{

}

void Test2(p& arr)
{

}

int main()
{
    p arr;

    size_t begin1 = clock();
    for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
    {
        Test1(arr);
    }
    size_t end1 = clock();

    size_t begin2 = clock();
    for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
    {
        Test2(arr);
    }
    size_t end2 = clock();

    cout << "传值所用时间:" << end1 - begin1 << endl;
    cout << "传引用所用时间:" << end2 - begin2 << endl;

    return 0;
}

1.6 -> 值和引用作为返回值类型的性能比较

#include <iostream>
#include <time.h>
using namespace std;

struct p
{
    int arr[10000];
};

p arr;

p Test1()
{
    return arr;
}

p& Test2()
{
    return arr;
}

int main()
{
    size_t begin1 = clock();
    for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
    {
        Test1();
    }
    size_t end1 = clock();

    size_t begin2 = clock();
    for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
    {
        Test2();
    }
    size_t end2 = clock();

    cout << "值作为返回值类型所用时间:" << end1 - begin1 << endl;
    cout << "引用作为返回值类型所用时间:" << end2 - begin2 << endl;

    return 0;
}

通过上述运行结果的比较，不难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。

1.7 -> 引用和指针的区别

在语法概念上，引用就是一个别名，没有独立空间，和其引用的实体共用一块空间。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int x = 10;
    int& rx = x;

    cout << "&x:" << &x << endl;
    cout << "&rx:" << &rx << 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。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int x = 10;

    int& rx = x;
    rx = 20;

    int* px = &x;
    *px = 20;

    return 0;
}

让我们来看一下引用和指针的汇编代码对比：

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)；
引用自加引用的实体增加1，指针自加指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安全。

2 -> 内联函数

2.1 -> 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。

2.2 -> 特性

inline是一种空间换时间的做法，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，提高程序的运行效率；
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，具体没有准确说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline的特性；
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，链接会找不到。

3 -> auto关键字(C++11)

3.1 -> 类型别名思考

随着我们的程序越来越复杂的同时，程序中的类型也越来越复杂。

常常体现在：

类型难于拼写；
含义不明确导致出错。

#include <string>
#include <map>

int main()
{
	std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, 
	{ "banana","香蕉" },
	{"pear","梨"} };

	std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();

	while (it != m.end())
	{
		
	}
	return 0;
}

我们知道std::map<std::string, std::string>::iterator是一个类型，但是这个类型太长了，特别容易出错。我们可以通过typedef给类型取别名。

如：

#include <string>
#include <map>

typedef std::map<std::string, std::string> Map;

int main()
{
	Map m{ { "apple", "苹果" },
	{ "banana","香蕉" },
	{"pear","梨"} };

	Map::iterator it = m.begin();

	while (it != m.end())
	{
		
	}
	return 0;
}

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef又会遇到新的难题：

#include <string>

typedef char* solve;

int main()
{
	const solve p1; // 编译成功还是失败？
	const solve* p2; // 编译成功还是失败？
	return 0;
}

在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量时清楚地知道表达式的类型。然而有时要做到这点并非那么容易，因此C++11就给auto赋予了新的含义。

3.2 -> auto简介

在早期C/C++中auto的含义为：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，但遗憾的是一直没有人去使用它，为什么呢？

C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义，即auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

注意：使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型，因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量的实际类型。

3.3 -> auto的使用细则

auto与指针和引用结合起来使用

auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时，必须加&。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int x = 10;

	auto a = &x;
	auto* b = &x;
	auto& c = x;

	cout << typeid(a).name() << endl;
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;

	*a = 20;
	*b = 30;
	c = 40;

	return 0;
}

在同一行定义多个变量

在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	auto a = 1, b = 2;
	auto x = 3, y = 3.1;
	
	return 0;
}

3.4 -> auto不能推导的场景

auto不能作为函数的参数；
auto不能直接用来声明数组；
为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法；
auto在实际中最常见的优势用法就是跟C++提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用。

4 -> 基于范围的for循环(C++11)

4.1 -> 范围for的语法

在C++98中要遍历一个数组通常用的方法为：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };

	for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); ++i)
		arr[i] *= 2;
	for (int* p = arr; p < arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); ++p)
		cout << *p << endl;
	
	return 0;
}

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。

for(范围内用于迭代的变量 : 被迭代的范围)

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };

	for (auto& e : arr)
		e *= 2;
	for (auto e : arr)
		cout << e << endl;
	
	return 0;
}

注意：与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

4.2 -> 范围for的使用条件

for循环迭代的范围必须是确定的

对于数组而言，就是数组中的第一个元素和最后一个元素的范围；

对于类而言，应该提供begin和end方法，begin和end就是for循环迭代的范围。

迭代的对象要实现++和==的操作

5 -> 指针空值nullptr(C++11)

5.1 -> C++98中的指针空值

在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，基本初始化方式为：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int* p = NULL;
	
	return 0;
}

NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL #ifdef __cplusplus #define NULL 0 #else #define NULL ((void *)0) #endif #endif

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void*)的常量。不论采取哪种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如：

#include <iostream>
using namespace std;

void p(int)
{
	cout << "p(int)" << endl;
}

void p(int*)
{
	cout << "p(int*)" << endl;
}

int main()
{
	p(0);
	p(NULL);
	p((int*)NULL);
	
	return 0;
}

程序的本意是想通过p(NULL)调用指针版本的p(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。

在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下，将其看成一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void*)0。

注意：