C++ -引用-详解

news2024/10/4 22:13:22

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C++ -引用-详解

  • 1.引用基础
    • 1.1是什么
    • 1.2特点
  • 2.引用的意义
  • 3.引用的应用场景
    • 3.1作为参数
    • 3.2作为返回值
      • 传值返回
      • 引用返回
  • 4.权限问题
  • 5.与指针的区别
  • 6.总结

1.引用基础

1.1是什么

引用（Reference）是C++中的一个重要概念，它允许你为变量创建一个别名，从而使你能够简洁地操作同一个变量。

引用通过在类型后加上&符号来定义，例如：

int a = 0;        // 定义一个整型变量a并赋值为0
int& b = a;       // b是a的别名，任何对b的操作都会影响a
int& c = b;       // c也是a的别名，c和b共享同一内存位置

使用cout输出这些变量的地址时，可以清楚地看到它们指向同一块内存空间：

std::cout << &a << std::endl; // 输出变量a的内存地址
std::cout << &b << std::endl; // 输出变量b的内存地址，显示与a相同
std::cout << &c << std::endl; // 输出变量c的内存地址，依旧与a和b相同

运行结果如下图：
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这形象的展示了引用不是定义一个新的变量，而是给已存在的变量取了一个别名。
因此，在概念上通常认为，引用不会开辟新的内存空间。

1.2特点

如果对其中任何一个变量进行自增操作，所有引用变量都会受到影响：

a++;b++;c++;//一个++，全部++

如当a最初为0时，执行完这三条语句后，a变为3。

引用在定义时必须初始化，这点可以和指针做对比：

int& b;//这样写是不行的
int* b;//这样写是可以的

如果不初始化，不能通过编译：
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再看看下面这段代码：

int x = 11;
c = x;

是c变为x的引用(别名),还是x赋值给c？
是赋值，C++的引用不能改变指向。

2.引用的意义

虽然直接定义别名在某些情况下看似没有实际意义，但在实际开发中，引用提供了更灵活和安全的参数传递方式，大大提高了代码的可读性和效率。

例如，现在要写一个函数用来交换两个变量的值：

void Swap(int a, int b);

这段代码的问题非常明显——形参是实参的临时拷贝，形参的修改不影响实参。
方法一：使用指针

void Swap(int* a, int* b);

这是在C语言中的常见写法，通过传递指针，能够直接操作变量的内存地址，从而实现交换：

Swap(&a, &b); // 通过地址传递，直接影响原始变量

方法二：使用引用
相比之下，使用引用可以使代码更简洁、直观，避免了指针可能带来的复杂性：

void Swap(int& a, int& b);

传参：

Swap(x, y); // 形参是实参的别名，交换a和b等于交换x和y。

交换指针的方式：
以前：传二级指针。
现在：

void Swap(int*& a, int*& b); // 通过引用传递指针，允许直接修改指针的指向

顺序表尾插的更新：

在处理数据结构时，引用的优势更加明显。例如，以前的写法可能如下：

ListPushBack(struct ListNode** pphead, int x); 
// 传递二级指针

而更新后的写法则显得更加简洁和安全：

ListPushBack(struct ListNode*& phead, int x); 
// 使用引用，减少了指针的复杂性

定义顺序表节点
有书这样写：

typedef struct ListNode
{
	XXXX;
}LTNode,*pLTNode;
//注，*pLTNode指的是：
//typedef struct ListNode* pLTNode;

这时，它们的尾插就能这样定义了：

LTPushBack(pLTNode& phead, int x);

二级指针就这样被干没了🤣。

3.引用的应用场景

3.1作为参数

输出型参数：
形参的改变直接影响实参，避免了额外的内存开销。
提高效率：
在处理大对象或深拷贝类对象时，引用能显著提高效率，降低程序的内存消耗。
例如，对于一个大型结构体，使用引用传递可以避免不必要的拷贝，提升性能：

struct
{
    int a[10000]; // 大对象的定义
};

传参时的速度：引用快于拷贝，引用和指针差不多。

3.2作为返回值

返回值时，如果直接返回一个值，会涉及到创建临时变量的问题。以此为例：

int func(); // 普通返回
int& func(); // 返回引用

传值返回

例如：

int func() {
    int n = 0;
    return n;
}
int main() {
    int ret = func();
}
  • n是直接返回给ret吗?

不是。中间会生成临时变量，有可能是寄存器代替，做为表达式的返回值，再传给ret。

  • 为什么？

因为出了作用域，函数栈帧被销毁，n也会被销毁。

如果：

{
static int n = 0;
}
  • 此时，n在静态区了，还会不会生成临时变量？

会，不搞特例。

因此，如果传值返回（全局变量，静态变量，局部变量），都会生成临时变量。

如果不想生成，怎么办？

引用返回

int& func();

返回n的别名(引用)
意义：

  1. 大对象、深拷贝类对象。极大提高效率。
  2. 可以获取、修改返回值（如顺序表中：int&SLAt(SQList&s，int pos);）

注意事项： 直接返回局部变量的引用是极其危险的，可能导致未定义行为。

  • 栈帧销毁了，但未清理，ret的结果侥幸正确；
  • 栈帧销毁了，且清理了，ret的结果是随机值。
    例如：
int& func()
{
	int n = 0;
	cout << &n <<endl;
	return n;
}

int main()
{
	int& ret = func();//ret是个引用，是n的别名的别名。
	cout << &ret;
	return 0;
}

运行结果如下图：
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会发现，n与ret的地址一样。

再来看看下面这段代码：

int& func(int x)
{
	int n = x;
	n++;
	return n;
}
int main()
{
	int& ret = func(10);
	cout << ret << endl;
	func(20);
	cout << ret << endl;
	return 0;
}

运行结果如下图：
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现在稍作修改，将func(20);改为任一其它函数：

	//func(20);
	printf("HaHa\n");

运行结果如下图：
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最终打印11和随机值。
因为，下一个函数建立的栈帧会覆盖func之前建立的栈帧。
系统不同，也可能都是随机值。
所以，返回局部对象的引用是危险的行为：

  • 危险：传值接收，值取决于清没清理栈帧。
  • 更危险：引用接收。

为了避免这一问题，可以返回一个静态变量的引用：

int& func() 
{
    static int n = 0; 
    // n在静态区，生命周期持续到程序结束
    return n; 
    // 返回静态变量的引用，安全且有效
}

返回静态对象的引用不危险：函数栈帧的销毁不会影响n。

4.权限问题

引用过程中，权限不能放大。

const int a = 0;
int& b = a;// 不行
int c = a;// 可以

c只拷贝了a的值，c的修改不会影响a，权限没有放大。
b的修改会影响a，权限放大，编译不能通过。
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int x = 0;
int& y = x;// 可以
const& z = x;// 可以，缩小了z作为别名的权限

权限可以平移、缩小。

再看下面这段代码：

double d = 1.1;
int i = d;
int& ri = d;

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需注意，这并不是因为类型不同，而是权限的问题：
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为什么？
因为发生类型转换时，如整型提升、强制转换、隐式类型转换，都会产生一个新的临时变量：
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而这个临时变量具有常性，所以int&不行的原因是权限的放大。

再例如：

int func1()
{
	static int x = 0;
	return x;
}
int& func2()
{
	static int x = 0;
	return x;
}
int main()
{
	int ret1 = func1();
	int& ret2 = func1();
	const int& ret3 = func1();

	int& ret4 = func2();
	const int& ret5 = func2();
	return 0;
}

其中，只有ret2会报错：
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ret1：拷贝，无引用，不涉及权限。
ret2：权限放大，传值返回的不是x，而是临时变量，临时变量具有常性。
ret3：权限平移。
ret4：权限平移。
ret5：权限缩小。

5.与指针的区别

int a = 0;

语法层面：不开空间，是对a取别名

int& ra = a;
ra = 10;

语法层面：开空间，存的是a的地址

int* pa = &a;
*pa = 20;

而从底层汇编指令实现的角度看，引用是类似指针的方式实现的：
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指针会出现野指针、空指针等情况，相比之下，引用更加安全。

6.总结

  • 引用传参： 引用是一种高效且安全的参数传递方式，适用于几乎所有场景，特别是在处理大型对象和复杂数据结构时，能够显著提高性能。

  • 引用返回： 返回引用时应谨慎，仅在全局、静态和堆对象中使用，以避免潜在的未定义行为。直接返回局部变量的引用是极其危险的，因为一旦局部变量超出作用域，引用将指向无效的内存地址，从而可能导致程序崩溃或不可预知的结果。

  • 引用与指针的区别： 虽然在语法上引用和指针都可以用来间接访问变量，但引用更安全，不会出现野指针或空指针的情况。它们的实现原理相似，但在使用时，引用提供了更简洁和直观的语法。

  • 总结： 通过引用，我们可以在保持高效的同时，使代码更加易读和安全。无论是在参数传递还是返回值处理中，引用都是一种极具价值的工具。

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希望本篇文章对你有所帮助！并激发你进一步探索编程的兴趣！
本人仅是个C语言初学者，如果你有任何疑问或建议，欢迎随时留言讨论！让我们一起学习，共同进步！

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