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🥁作者： 华丞臧
📕​​​​专栏：【C++】
博主Gitee
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一、引用概念

引用不是新定义一个变量，而是给已经存在的变量取了一个别名，编译器不会为引用变量开辟内存空间，它们引用的变量共用同一块空间。

//类型& 引用变量名 = 引用实体;
如下：
int a = 10;
int& ra = a; //定义引用类型，必须初始化

二、引用特性

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
   int& ra = a;
   int& rra = a;
   printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);  
}

可以看到a,ra,rra三个变量地址一致，从这里可以看出引用其实就是变量实体的别名，与实体共用同一块空间。

三、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; 
}

指针和引用赋值中，变量的权限可以缩小，但不可以放大。

类型转换、整型提升、截断这些的过程中都会产生一个临时变量，语法规定临时变量具有常性即不能修改。

四、使用场景

4.1 做参数

在C语言当中，调用一个函数传参分为两种：一是传值二是传地址，在这两种方式中只有传地址才能通过函数中的形参改变实参；而现在C++当中使用引用做形参同样能达到相同的效果。

//这是一个例子
void Swap(int& left, int& right)
{
   int temp = left;
   left = right;
   right = temp;
}

引用做参数的优点：

1. 减少拷贝，提高效率；
2. 输出型参数，函数中修改形参实参也修改了。

关于函数重载：

int Add(int& a, int& b)
{
    int c = a + b;
    return c;
}

int Add(int a, int b)
{
    int c = a + b;
    return c;
}

上述函数构不构成重载看编译器的识别或者名字修饰规则，但是不能这么写程序会出错，因为调用时存在二义性，编译器识别不出。
传值、传引用效率比较：

#include<iostream>
#include <time.h>

using namespace std;

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 < 100000; ++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 < 100000; ++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;
}

int main()
{
	TestRefAndValue();
	return 0;
}

可以看到，数据量很大的时候引用做参数的效率更快。

4.2 做返回值

传值返回：

我们知道在函数调用时，编译器会为函数在内存中开辟一个函数栈帧；在函数调用返回时函数栈帧销毁之前，返回值会先传给一个临时变量(小则存放在寄存器中，大则在主函数栈帧开辟的空间)返回。

引用返回：

引用是什么？引用是一个变量的别名，和引用的实体是共用一块空间的；那么在函数栈帧销毁时，函数返回的是实体变量在这个过程中就不会再产生一个临时变量。
注意：函数栈帧销毁，该函数中的局部变量也销毁了，这时就不能再用引用返回了；如果这个变量是定义在函数栈帧上的，函数栈帧销毁变量也跟着销毁，出了函数作用域返回变量不存在了，不能使用引用返回，因为此时引用返回的结果是未定义的；出了函数作用域，返回变量存在，才能使用引用返回。

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

//下面代码输出什么结果？为什么？
int& Add(int a, int b)
{
    int c = a + b;
    return c;
}
int main()
{
    int& ret = Add(1, 2);
    Add(3, 4);
    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
    //cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;  //再打印一次会是什么结果？
    return 0;
}

打印一次：

打印两次：

说明：

• 打印一次的时候，add函数栈帧销毁时函数栈帧中存放c变量的空间并没有被销毁改变，此时去访问这块空间的值还是7。
• 当第二次打印两次的时候，我们第二次非法访问同样一块空间发现值已经被改变，这是因为先取值再打印所以第一次还是7但是此时cout函数调用开辟了栈帧覆盖了那片空间，从而导致了值的改变。
• 上述的那一段程序是错误，属于非法访问，这说明：出了函数作用域变量就不存在了是不能使用传引用返回的。

引用返回的优点：

1. 减少拷贝，提高效率；
2. 修改返回值。

值和引用的作为返回值类型的性能比较：

#include<iostream>
#include <time.h>

using namespace std;

struct A 
{ 
	int a[10000]; 
};
A a;
// 传值返回
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;
}

int main()
{
	TestReturnByRefOrValue();
	return 0;
}

通过上述代码的比较，发现传值和传引用在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

五、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；但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;
}

上述引用和指针的汇编代码如下：

通过对比不难发现，引用的底层是使用指针实现的。

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。