【C++基础】初识C++（2）--引用、const、inline、nullptr

一、引用

1.1 引用的概念和定义

1.2 引用的特性

1.3引用的使用

1.4 const引用

1.5 指针和引用的关系

二、inline

三、nullptr

一、引用

1.1 引用的概念和定义

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：水浒传中的林冲，外号豹⼦头；

类型& 引用别名 = 引用对象;

举个栗子：

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int a = 0;
// 引⽤：b和c是a的别名
    int& b = a;
    int& c = a;
// 也可以给别名b取别名，d相当于还是a的别名
    int& d = b;
    ++d;
// 这⾥取地址我们看到是⼀样的
    cout << &a << endl;
    cout << &b << endl;
    cout << &c << endl;
    cout << &d << endl;
    return 0;
}

注：C++中为了避免引⼊太多的运算符，会复⽤C语⾔的⼀些符号，⽐如前⾯的 <<和 >>，这⾥引⽤也和取地址使⽤了同⼀个符号&，⼤家注意使⽤⽅法⻆度区分就可以

1.2 引用的特性

引⽤在定义时必须初始化
⼀个变量可以有多个引⽤
引⽤⼀旦引⽤⼀个实体，再不能引⽤其他实体

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int a = 10;
// 编译报错：“ra”: 必须初始化引⽤
    //int& ra;
    int& b = a;
    int c = 20;
// 这⾥并⾮让b引⽤c，因为C++引⽤不能改变指向，
// 这⾥是⼀个赋值
    b = c;
    cout << &a << endl;
    cout << &b << endl;
    cout << &c << endl;
    return 0;
}

1.3引用的使用

引⽤在实践中主要是于引⽤传参和引⽤做返回值中减少拷⻉提⾼效率和改变引⽤对象时同时改变被引⽤对象。
引⽤传参跟指针传参功能是类似的，引⽤传参相对更⽅便⼀些。
引⽤和指针在实践中相辅相成，功能有重叠性，但是各有特点，互相不可替代。C++的引⽤跟其他语⾔的引⽤(如Java)是有很⼤的区别的，除了⽤法，最⼤的点，C++引⽤定义后不能改变指向，Java的引⽤可以改变指向。

之前我们在另一个函数交换值需要传地址, 有了引用就可以直接传引用,此时rx就相当于x的别名, 而ry就相当于y的别名

void Swap(int& rx, int& ry)
{
    int tmp = rx;
    rx = ry;
    ry = tmp;
} 
int main()
{
    int x = 0, y = 1;
    cout << x <<" " << y << endl;
    Swap(x, y);
    cout << x << " " << y << endl;
    return 0;
}

虽然它的底层逻辑是指针，但在语法上是取别名，不要想底层，会将其搞复杂

看下面这个代码，原C语言中的指针，现用引用替代

#include<iostream>
using namespace std;
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
    STDataType* a;
    int top;
    int capacity;
}ST;
void STInit(ST& rs, int n = 4)
{
    rs.a = (STDataType*)malloc(n * sizeof(STDataType));
    rs.top = 0;

    rs.capacity = n;
} 
// 栈顶
void STPush(ST& rs, STDataType x)
{
// 满了， 扩容
    if (rs.top == rs.capacity)
    {
        printf("扩容\n");
        int newcapacity = rs.capacity == 0 ? 4 : rs.capacity * 2;
        STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(rs.a, newcapacity *sizeof(STDataType));

        if (tmp == NULL)
        {
        perror("realloc fail");
        return;
        } 
        rs.a = tmp;
        rs.capacity = newcapacity;
    } 
    rs.a[rs.top] = x;
    rs.top++;
} 

int& STTop(ST& rs)
{
    assert(rs.top > 0);
    return rs.a[rs.top];
} 
int main()
{
// 调⽤全局的
    ST st1;
    STInit(st1);
    STPush(st1, 1);
    STPush(st1, 2);
    cout << STTop(st1) << endl;

    STTop(st1) += 10;
    cout << STTop(st1) << endl;
    return 0;
}

还有这个是许多教材上喜欢写的，以前C语言的时候是不是很懵啊，⼀些主要⽤C代码实现版本数据结构教材中，使⽤C++引⽤替代指针传参，⽬的是简化程序，避开复杂的指针，但是很多同学没学过引⽤，导致⼀头雾⽔

#include<iostream>
using namespace std;
typedef struct SeqList
{
    int a[10];
    int size;
}SLT;

void SeqPushBack(SLT& sl, int x)
{}
typedef struct ListNode
{
    int val;
    struct ListNode* next;
}LTNode, *PNode;
    // 指针变量也可以取别名，这⾥LTNode*& phead就是给指针变量取别名
    // 这样就不需要⽤⼆级指针了，相对⽽⾔简化了程序
    //void ListPushBack(LTNode** phead, int x)
    //void ListPushBack(LTNode*& phead, int x)
void ListPushBack(PNode& phead, int x)
{
    PNode newnode = (PNode)malloc(sizeof(LTNode));
    newnode->val = x;
    newnode->next = NULL;
    if (phead == NULL)
    {
    phead = newnode;
    } 
    else
    {
    //...
    }
}
int main()
{
    PNode plist = NULL;
    ListPushBack(plist, 1);
    return 0;
}

1.4 const引用

• 可以引⽤⼀个const对象，但是必须⽤const引⽤。const引⽤也可以引⽤普通对象，因为对象的访问权限在引⽤过程中可以缩⼩，但是不能放⼤。
• 不需要注意的是类似 int& rb = a*3; double d = 12.34; int& rd = d; 这样⼀些场景下a*3的和结果保存在⼀个临时对象中， int& rd = d 也是类似，在类型转换中会产⽣临时对象存储中间值，也就是时，rb和rd引⽤的都是临时对象，⽽C++规定临时对象具有常性，所以这⾥就触发了权限放⼤，必须要⽤常引⽤才可以。
• 所谓临时对象就是编译器需要⼀个空间暂存表达式的求值结果时临时创建的⼀个未命名的对象，C++中把这个未命名对象叫做临时对象

举个栗子：

int main()
{
	const int a = 10;
	// 编译报错：error C2440: “初始化”: ⽆法从“const int”转换为“int &”
	// 这⾥的引⽤是对a访问权限的放⼤
	//int& ra = a;  //报错
	const int& ra = a;// 这样才可以
	// 编译报错：error C3892: “ra”: 不能给常量赋值
	//ra++;
	// 这⾥的引⽤是对b访问权限的缩⼩
	int b = 20;
	const int& rb = b;
	// 编译报错：error C3892: “rb”: 不能给常量赋值
	//rb++;
	return 0;
}

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	const int& ra = 30;
	// 编译报错: “初始化”: ⽆法从“int”转换为“int &”
	// int& rb = a * 3; //error
	const int& rb = a * 3;//right
	double d = 12.34;
	// 编译报错：“初始化”: ⽆法从“double”转换为“int &”
	// int& rd = d; //error
	const int& rd = d; //right
	return 0;
}

权限放大只存在于指针和引用中，下面这两种不要搞混了

1.5 指针和引用的关系

C++中指针和引⽤就像两个性格迥异的亲兄弟，指针是哥哥，引⽤是弟弟，在实践中他们相辅相成，功能有重叠性，但是各有⾃⼰的特点，互相不可替代。
• 语法概念上引⽤是⼀个变量的取别名不开空间，指针是存储⼀个变量地址，要开空间。
• 引⽤在定义时必须初始化，指针建议初始化，但是语法上不是必须的。
• 引⽤在初始化时引⽤⼀个对象后，就不能再引⽤其他对象；⽽指针可以在不断地改变指向对象。
• 引⽤可以直接访问指向对象，指针需要解引⽤才是访问指向对象。
• 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，64位下是8byte)
• 指针很容易出现空指针和野指针的问题，引⽤很少出现，引⽤使⽤起来相对更安全⼀些。

int main()
{
	int a = 0;
	int* p = &a;
	*p = 1;

	int& ra = a;
	ra = 2;

	return 0;
}

这串代码通过vs中的反汇编可以看出，指针和引用在底层是一样的，这里大家做一个了解就行了

二、inline

• ⽤inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调⽤的地⽅展开内联函数，这样调⽤内联函数就需要建⽴栈帧了，就可以提⾼效率。
• inline对于编译器⽽⾔只是⼀个建议，也就是说，你加了inline编译器也可以选择在调⽤的地⽅不展开，不同编译器关于inline什么情况展开各不相同，因为C++标准没有规定这个。inline适⽤于频繁调⽤的短⼩函数，对于递归函数，代码相对多⼀些的函数，加上inline也会被编译器忽略。
• C语⾔实现宏函数也会在预处理时替换展开，但是宏函数实现很复杂很容易出错的，且不⽅便调试，C++设计了inline⽬的就是替代C的宏函数。
• inline不建议声明和定义分离到两个⽂件，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址，链接时会出现报错。

#include<iostream>
using namespace std;
inline int Add(int x, int y)
{
	int ret = x + y;
	//ret += 1;
	//ret += 1;
	//ret += 1;
    //...
	return ret;
} 
int main()
{
	// 可以通过汇编观察程序是否展开
	// 有call Add语句就是没有展开，没有就是展开了
	int ret = Add(1, 2);
	cout << Add(1, 2) * 5 << endl;
	return 0;
}

这里说一下 vs 编译器debug版本下⾯默认是不展开inline的，这样⽅便调试，debug版本想展开需要设置⼀下以下两个地⽅

三、nullptr

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

• C++中NULL可能被定义为字⾯常量0，或者C中被定义为⽆类型指针(void*)的常量。不论采取何种定义，在使⽤空值的指针时，都不可避免的会遇到⼀些⿇烦，本想通过f(NULL)调⽤指针版本的
f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，调⽤了f(int x)，因此与程序的初衷相悖。f((void*)NULL);
调⽤会报错

• C++11中引⼊nullptr，nullptr是⼀个特殊的关键字，nullptr是⼀种特殊类型的字⾯量，它可以转换
成任意其他类型的指针类型。使⽤nullptr定义空指针可以避免类型转换的问题，因为nullptr只能被
隐式地转换为指针类型，⽽不能被转换为整数类型

#include<iostream>
using namespace std;
void f(int x)
{
    cout << "f(int x)" << endl;
} 
void f(int* ptr)
{
    cout << "f(int* ptr)" << endl;
} 
int main()
{
    f(0);
// 本想通过f(NULL)调⽤指针版本的f(int*)函数，
//但是由于NULL被定义成0，调⽤了f(intx)，因此与程序的初衷相悖。
    f(NULL);
    f((int*)NULL);
// 编译报错：error C2665: “f”: 2 个重载中没有⼀个可以转换所有参数类型
// f((void*)NULL);
    f(nullptr);
    return 0;
}

本篇到这里就结束了，如有问题欢迎在评论区指正。感谢！下篇见！