C++引用和内联函数

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一、引用

首先我们来看一下引用的概念：

1.1引用的概念

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。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

1.1.1代码展示

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int i = 0;
	int& k = i; // 这里的k就是变量i的引用，可以理解为k是i的一个别名
				//这里的k和i可以理解为同一个空间
	int j = i;//这里的j是一个全新的变量，是将变量i的值赋给了j

	cout << &i << endl;
	cout << &k << endl;
	cout << &j << endl;
	++k;
	++j;
	int& m = i;
	int& n = k;
	++n;
	return 0;
}

1.1.2图示

我们可以结合上图分析代码，k是i的引用，可以理解为k是i的别名，就比如宋江和宋公明，名字看起来不一样但是是同一个人，这里的k和i是同一个空间，k和i任何一个的变化都会影响另外一个变量的变化。
我们再来看一下三个变量的地址：

我们发现三个变量中i，k两个变量的地址完全相同，所以说明k没有实际开辟空间，只是i变量的一个别名而已。
我们在C语言中有一种特殊情况：二级指针，因为我们都直到形参的改变不会影响到实参，如果我们想在形参变化的时候让实参也变化就得地址传递，操作同一块空间，我们C++就可以利用引用来解决这一问题，我们直接让形式参数是实参的别名就好。
注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

1.2引用的特性

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

void TestRef()
{
   int a = 10;
   // int& ra;   // 该条语句编译时会出错，因为没有初始化
   int& ra = a;
   int& rra = a;
   printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);  
}

1.3常引用

void TestConstRef()
{
    const int a = 10;
    //int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量
    const int& ra = a;
    // int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
    const int& b = 10;
    double d = 12.34;
    //int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
    const int& rd = d;
}

1.4引用的使用场景

1. 做参数

void Swap(int& left, int& right)
{
   int temp = left;
   left = right;
   right = temp;
}

  做参数就是为了解决形参的改变不影响实参这个问题，我们在C语言中想要做到输出型参数，就得利用指针来实现，但是在C++中我们就可以用引用做参数，我们的形参就是实参的别名，这里一旦形参发生了改变实参也会发生相应的改变，也就是说这里是输出型参数。
2.做返回值

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

我们先来看一下普通函数的调用：



但是我们再来分析一下下面的代码：


如果还给了操作系统还使用传引用返回，那么结果就是未定义的

1.5 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。
我们可以测试一下他们的效率：

1. 值和引用的作为函数参数的性能比较：

#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. 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。

1.6 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;
}

我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

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

二、内联函数

2.1.内联函数的概念

  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。
注意：C++推荐用const和enum替代宏常量用inline去替代宏函数

  在c语言中宏是在预处理阶段直接替换的，所以对于宏函数来说，是替换而不是调用，所以优点就是可以节省时间，因为不用调用函数建立栈帧。
我们来看一下什么是宏函数：

#define ADD(x, y) ((x)+(y)) //这个就是宏函数

我们来解释一下为什么它的形式是((x)+(y))

int main()
{
	ADD(1, 2) * 3; // ((1)+(2))*3;
	//上面就是解释了为什么外面有一对括号
	int a = 1, b = 2;
	ADD(a | b, a & b); // ((a | b) + (a & b));;
	//这里就解释了为什么x和y要单独括起来
	return 0;
}

我们来看一下普通函数的调用在汇编代码下的情况：

  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：

1. 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
2. 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vs2019的设置方式)
   
   
   

2.2内联函数的特性

1. 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。
2. 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。
   《C++prime》第五版关于inline的建议：
   内联函数只是向编译器发送的一个请求，编译器可以忽略这个请求
   一般来说，内联机制用于优化规模较小，流程直接，频繁调用的函数，很多编译器都不支持内联递归函数，而且一个75行的函数也不太可能在调用点内联的展开。
3. 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

// 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;
}
// 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

总结

  我们这篇博客主要涉及C++语言中的引用和内联函数，深入分析引用和内联函数中的很多细节问题，同时从底层汇编入手来分析引用和内联函数的底层原理，希望对大家有所帮助~