【C++】C++特性揭秘：引用与内联函数 | auto关键字与for循环 | 指针空值

news2024/9/29 1:26:15

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C++语法相关知识点可以通过点击以下链接进行学习一起加油！
命名空间缺省参数与函数重载

本章将分享C++增加的几种常见特性，主要内容为引用与内联函数 | auto关键字与for循环 | 指针空值，这些知识看似很多，实际也不少。本章篇幅长，耐心享用，若有不足，欢迎指出！

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文章目录

  • 一、引用
    • 1.1 引用概念
    • 1.2 引用语法
    • 1.3 引用特性
    • 1.4 引用权限(常引用)
    • 1.5 引用使用场景
      • 1.5.1 引用作为输出型参数(减少拷贝，提高效率)
      • 1.5.2 引用作为返回值(减少拷贝，提高效率)
    • 1.6 引用做参数与返回值效率
    • 1.7 引用和指针的区别
      • 1.7.1 引用和指针的汇编代码对比
      • 1.7.2 引用与指针不同点
  • 二、内敛函数
    • 2.1 内敛函数概念
    • 2.2 内敛函数特性
    • 2.3 关于头或源文件同时定义函数措施
  • 三、auto关键字(C++11)
    • 3.1 类型别名思考
    • 3.2 typedef陷阱
    • 3.3 auto简历
    • 3.4 auto使用(自动识别类型)
    • 3.5 auto不能推导场景
  • 三、基于范围的for循环(C++)
    • 3.1 范围for语法
    • 3.2 范围for的使用条件
  • 四、指针空值

一、引用

1.1 引用概念

引用不是用于新定义变量，而是对已存在变量取别名。对于引用变量来说，编译器不会为其开辟空间(底层实际开辟)，它与被引用变量共同占用同块内存空间

举个例子:李逵，在家称为"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"。这三个名称都是指向同个对象

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1.2 引用语法

类型说明符& 引用对象名 =引用实体（引用类型必须和引用实体是同种类型）

void TestPef()
{
    int a=10;
    int& pa=a;//pa是a的别名
   
    printf("&a==%p\n", &a);
    printf("&pa==%p\n", &pa);
    //从地址上，可以得出它和它引用的变量共用同一块内存空间
}

1.3 引用特性

第一个:

  • 它和被引用的变量共用同一块内存空间
void TestPef()
{
    int a=10;
    int& pa=a;//pa是a的别名   
    a++;
    printf("a==%d pa==%d\n", a,pa);//11  11
    pa++;
    printf("a==%d pa==%d\n", a,pa);//12 12
}

说明：修改对象a或pa的也会影响对象pa或a

第二点:

  • 引用在定义时必须初始化(否则在编译阶段会报错)

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第三点:

  • 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
//引用定义后，不能改变指向(这一点很重要)
int a = 10; int& b = a;
int c = 10;
b = c;//不是改变指向，而是b（a）赋值为10

第四点:

  • 一个变量可以有多个引用，引用变量也可以取别名
//一个变量可以有多个别名，别名也有别名
int a = 10; int& b = a;
int &d=b ;//d是b的别名，b是a的别名，则d是a的别名
return 0;

1.4 引用权限(常引用)

对于权限可以缩小，但是不能放大

void TestConstRef()
{
	int a=0;
    int& b=a;
    
    const int& c=a; //支持->权限缩小
     
    const int x=10;

    int& y=x;//不支持-权限放大（此时的x只有读权限，没有写权限）
    const int& y=x;//支持权限相等
    
    //表达式的返回值是临时对象，而临时对象具有常性
    int& n= a+x = 临时对象 //这里是属于权限放大
    const int& n = a+x = 临时对象; //支持权限相等
}

1.5 引用使用场景

1.5.1 引用作为输出型参数(减少拷贝，提高效率)

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说明:如果参数是指针类型，使用时需要对其解引用操作，但是使用引用可以避免解引用操作

1.5.2 引用作为返回值(减少拷贝，提高效率)

int& func()
{
    int a = 0;
    return a;
}
int main()
{
    int ret = func();//第一种
    int& ret = func();//第二种
    cout << ret << endl;
    return 0;
}

说明:

  1. 第一种情况，当函数运行结束，函数内存被系统收回。引用作为返回值类型，返回临时局部变量a被引用接收。那么对象ret接收到这块空间是什么？这里需要根据编译器是否对这块函数栈帧清空，但是操作操作是不具备安全性
  2. 第二种情况，使用引用接收这块已经被回收的空间。会导致野引用，访问未知名空间可以看作租房子，房子合同到期，如果非法进入会出现不安全的影响。

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【有趣的现象】:

关于编译器是否对该函数栈帧清空，可以看一个有意思的东西

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说明:对于两次ret结果值为0，表示编译器没有对函数栈帧清空；如果当调用func()函数后，ret值为随机值表示函数栈帧已经清空。间接说明引用做返回值尽量不要返回局部变量

引用做返回值使用场景:

//没有使用引用做返回值
void SLModity(Seqlist& s1, int pos, int x)
{
    assert(pos >= 0);
    assert(pos < s1.size);

    s1.a[pos] = x;
}

int SLGet(Seqlist& s1, int pos)
{
    assert(pos >= 0);
    assert(pos < s1.size);
    return s1.a[pos]；
}

//使用引用 读写返回值
int& Get(int pos)
{
    assert(pos >= 0);
    assert(pos < s1.size);
    return a[pos]；
}

1.6 引用做参数与返回值效率

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说明:由于一般在实参传递或返回值传递过程需要创建临时对象，而对于引用与被引用对象共用同块空间，减少了拷贝，提高效率。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。

1.7 引用和指针的区别

在语法概念上，引用是一个别名，没有独立空间，同其引用实体共用同一块空间，但是在底层实现上，实际引用是有开辟空间的，由于引用是按照指针方式实现的。

int main()
{
    int a=10;
    int& ra=a;
    cout<<"&a"<<&a<<endl;
    cout<<"&ra"<<&ra<<endl;
    return 0;
}

1.7.1 引用和指针的汇编代码对比

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引用相较于指针来说，更加适合使用比较复杂的场景进行一些替换，使得代码更简单易懂(不代表引用完全替代指针)，比如:引用定义后不能改变指向，而指针可以改变指向。

1.7.2 引用与指针不同点

  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，但是有NULL指针

  5. 在sizeof中含义不同:引用结果为引用类型的大小，但是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. 引用自加既引用的实体增加1，指针自加即指针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，指针需要显示解引用，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、内敛函数

2.1 内敛函数概念

内敛函数是以关键字inline修饰的函数，编译时C++编译器会在调用内敛函数位置展开函数体(函数体替换函数的调用)。函数调用建立栈帧会有开销，内敛函数虽然可以提升程序运行的效率，但是内敛函数也是需要付出代价。

【查看方式】：

内敛函数本身是一种代码优化手段

  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vs2013的设置方式

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2.2 内敛函数特性

第一点:

  • inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内敛函数处理，在编译阶段，会用函数体代替函数调用.

说明:内敛函数展开，编译程序空间变大(指令变多)，空间是编译好的可执行程序，并不是我们理解的内存。虽然避免了函数调用开销提高程序运行效率，但是可能会使目标文件变大

【给出场景】:当1000行需要调用swap函数，函数体假设10行代码

  1. 如果swap不是内敛函数，合计需要10 + 1000
  2. 如果swap是内敛函数，合计需要10 * 1000，导致目标文件变大

第二点：

  • 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

第三点:

  • 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

2.3 关于头或源文件同时定义函数措施

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假设这里所指函数为Add函数。如果想要头文件中定义Add函数会导致预处理阶段出现命名冲突。

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【使得头文件定义Add函数两种方法】:

第一种:

使用static关键字将函数的外部链接属性转为内部链接属性，只在当前文件可见，简单来说就是不进符号表，不会产生没有命名冲突。

第二种:
使用内敛函数，假设在.cpp文件定义内敛函数，由于内敛函数没有函数地址，意味着不会进去符号表。对于其他文件中需要该函数，会发生链接错误。推荐内敛函数的声明和定义放在一块，在头文件展开并且链接时不会出现命名冲突

【推荐】：

  • 如果是大函数，可以使用声明和定义分离，static修饰；
  • 如果是小函数，可以使用内敛。

三、auto关键字(C++11)

3.1 类型别名思考

由于程序中使用到的类型也越来越复杂，导致了类型难于拼写，含义不明确导致容易出错。

比如:std::map<std::string, std::string>::iterator类型但是该类型太长了，特别容易写错。这里可以考虑使用typedef为类型取别名typedef std::map<std::string, std::string>::iterator Map。但是typedef本身存在不足。

3.2 typedef陷阱

typedef char * pstring;
int main()
{
    const pstring p1//编译成功还是失败？-->失败
    const pstring* p2//编译成功还是失败？-->成功
    return 0;
}

过程解析：这里const pstring != const char *。由于const pstring中const赋予了整个指针本身常性，形成了常量指针char * const。对于p2来说，const pstring* p2转化后char* const p2，对于p2二级指针可以不初始化。

虽然 typedef 并不真正影响对象的存储特性，但在语法上它还是一个存储类的关键字，就像 auto、extern、static 和 register 等关键字一样。

typedef static int INT_STATIC;

由于typedef已经占据存储类关键字位置，因此typedef声明中就不能再使用static或任何其他存储类关键字，导致不能声明多个存储类关键字

3.3 auto简历

在早期C/C++中auto的含义是使用auto修饰的变量，该变量具有自动存储器的局部变量，但是没有人使用它，因为意义不大，这里指向的是局部变量，那么当函数结束，局部变量出了作用域，生命周期结束，变量会自动销毁，对此使用没有意义。

C++11中，auto被赋予了新的含义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中推导而得

int TestAuto()
{
    return 10;
}
int main()
{
    int a = 10;
    auto b = a;
    auto c = 'a';
    auto d = TestAuto();
    cout << typeid(b).name() << endl;
    cout << typeid(c).name() << endl;
    cout << typeid(d).name() << endl;
    //auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化
    return 0;
}

打印变量类型:typeid(对象名).name()

3.4 auto使用(自动识别类型)

1. auto定义变量

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替换为变量实际的类型

2.auto与指针和引用结合起来使用

auto与指针和引用结合起来使用。当auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别（*如果使用auto ，则表示指向的变量是指针类型）但用auto声明引用类型时，则必须加&

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;
}

3.auto在同一行定义多个变量

当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，因为编译器实际上只会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

void TestAuto()
{
    auto a = 1, b = 2;
    auto c = 3, d = 4.0; // 该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同
}

3.5 auto不能推导场景

1.auto不能作为函数参数 

// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{}

auto虽然不能作为函数参数，但是可以做函数返回值。对于auto作为函数返回值的建议是慎用，可能使得可读性下降。

如果多层嵌套函数返回值类型是auto，想要得到具体的返回值的类型，需要一个个函数去检查。

auto TestAuto(int a)
{
	return a;
}

2.auto不能直接用来声明数组 

void TestAuto()
{
    int a[] = {1,2,3};
    auto b[] = {4，5，6};
}

三、基于范围的for循环(C++)

3.1 范围for语法

对于一个有范围的集合而言，交给程序员来说明循环范围是多余的，可能还会导致犯错误。对此C++11中引入了基于范围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

void TestFor()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    for(auto& e : array)
        e *= 2;
    for(auto e : array)
        cout << e << " ";
    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

3.2 范围for的使用条件

1.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的方法，begin和end就是for循环迭代的范围。

注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定

void TestFor(int array[])
{
    for(auto& e : array)
        cout<< e <<endl;
}

2. 迭代的对象需要要实现++和==的操作(本质还是迭代器)

四、指针空值

在C/C+良好的编程习惯中，对于未初始化的指针，一个没有合法的指向的指针，基本会进行初始化。int *p=NULL\0。对此在C头文件<stddef.h>中，可知NULL实际是一个宏。

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

在这里插入图片描述

对此NULL可能定义有两种（字面常量0，无类型指针（void）的常量）*，C++中使用NULL指针空值，可能会遇到一些问题。

void f(int)
{
	cout << "haha" << endl;
}
void f(int *)
{
	cout << "hehe" << endl;
}
int main()
{
	f(0);
	f((int*)NULL);
	f(NULL);
	return 0;
}

按照预期，传NULL应该调用int *的函数，但是NULL被定义成0.对此预期和结果不匹配。对此为了区分C++和C，C++引出了nullptr关键字代替NULL的使用。

在C++98中，字面常量0既可以是一个整型数字，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是一个整型常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须强制类型转换。

小结:

  1. nullptr是C++11作为新关键字引入的，在使用过程中，不需要包含头文件

  2. 在C++11中，sizeof(nullptr)与sizeof((void *)0)所占的字节数相同

  3. 为了提高代码的健壮性，在后续C++使用中最好使用nullptr表示指针空值

以上就是本篇文章的所有内容，在此感谢大家的观看！这里是店小二呀C++笔记，希望对你在学习C++语言旅途中有所帮助！
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