【C++掌中宝】走进C++引用的世界：从基础到应用

news2024/9/24 14:29:38

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文章目录

引言
1. 基础概念
2. 引用与指针的区别
3. 引用的应用场景
- 3.1 引用作为函数参数
- 3.2 引用作为函数返回值
- 3.3 常引用（const引用）的使用
- 3.4 引用与多态
4. C++ 引用的优缺点
5. 引用的注意事项与常见陷阱
6. 总结
结语

引言

C++ 引用是编写高效、简洁代码的重要工具。与指针类似，引用允许程序员以间接方式访问数据，但其使用方式更为安全和简便。在这篇博客中，我们将深入探讨 C++ 中引用的概念、特性以及使用方式，帮助你更好地理解和使用引用。

1. 基础概念

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。比如：水浒传中李逵，宋江叫"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"；林冲，外号豹子头；

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因此对引用的任何操作都会直接影响原变量。格式如下：

类型& 引用别名 = 引用对象;

引用使用 & 符号声明，例如：

int a = 10;
int& ref = a;

在上面的例子中，ref 是 a 的引用，二者共享同一块内存区域。修改 ref 的值会直接改变 a 的值。

引用的核心特性：

必须初始化：引用在声明时必须绑定到某个变量，且不能更改绑定的对象。
多引用：一个变量可以有多个引用
不占用额外内存：引用和原变量共用同一内存空间。
引用与变量操作一致：对引用的操作会反映在其绑定的变量上。

2. 引用与指针的区别

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。

引用与指针都能实现间接访问，但二者存在以下不同点：

区别	引用	指针
初始化	必须初始化	可以延迟初始化
是否可更改指向	不可更改	可以更改
是否可为空	不能为空（NULL）	可以为空（NULL）
使用方式	无需解引用符号	需使用解引用符号
sizeof中的含义	结果为引用类型的大小	始终是地址空间所占字节个数（32位平台下占4个字节，64位平台下占8个字节）

引用的优势在于语法简洁且更安全，而指针则更灵活，但容易引发空指针或野指针问题。（从底层汇编的角度来看，引用也是用指针实现的，在底层实现上引用实际是有空间的）

我们来看看引用和指针的汇编代码对比：

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3. 引用的应用场景

引用在 C++ 编程中有广泛应用，尤其是在函数参数传递和返回值中。以下是几个常见应用场景：

3.1 引用作为函数参数

引用传递能避免值传递时的拷贝操作，提升效率，尤其在处理大对象时。例如：

void modify(int &x) {
    x = 10;  // 修改外部变量
}

函数 modify 直接修改了实参 x，而不是传递一个副本。

3.2 引用作为函数返回值

函数返回引用能够避免创建副本，直接操作外部数据：

int& getElement(int arr[], int index) {
    return arr[index];
}

返回数组元素的引用，使外部可以直接修改数组内容。

总结：

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贝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。
引用返回值的场景相对比较复杂，我们在这里简单讲了一下场景，还有一些内容后续类和对象章节中会继续深入讲解。
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。
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。

3.3 常引用（const引用）的使用

常引用 (const) 用于避免修改原数据，可以理解为只读型同时可以引用常量或临时对象。例如：

void display(const int &x) {
    std::cout << x << std::endl;
}

常引用保证了传递的数据不会被修改。

权限放大：

//只读型(const)
const int a = 20;
 
//可读可写型  报错！
int &b= a;      × × ×
 
//权限平移
const int &c = a;   √ √ √

权限缩小：

//可读可写型
int e = 30;
 
//只读型
const int &f = e;     √ √ √

临时变量具有常属性：

类型转换，并不会改变变量类型，中间都会产生一个临时变量！！

//临时变量具有常属性 --- 相当于被const修饰了
int ii = 1;
//发生 -- 隐式转换 -- 
double dd = ii;        //隐式类型转换是语法允许的
 
--------------------------
 
//报错   权限被放大
double &rdd = ii;      // × × × 权限被放大了
//权限的平移
const double &rdd = ii;

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使用反例：

void func1(int  n)
{}
void func2(int& n)
{}
void func3(const int& n)
{}
 
int main()
{
	int a = 10;
	const int b = 20;
	func1(a);
	func1(b);
	func1(30);
 
	func2(a);
 
	//权限被放大   -- 报错 --
	func2(b);
	//权限被放大   -- 报错 --
	func2(30);
	
	double d = 2.22;
	//权限被放大   -- 报错 --
	func2(d);
	//语法允许
	func3(d);
	return 0;
}

总结：

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。
权限放大和缩小只针对引用和指针。
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。

3.4 引用与多态

在多态场景中，引用可以通过基类指向派生类，实现多态行为：

class Base {
public:
    virtual void show() { std::cout << "Base" << std::endl; }
};

class Derived : public Base {
public:
    void show() override { std::cout << "Derived" << std::endl; }
};

void display(Base &obj) {
    obj.show();  // 基类引用可指向派生类
}