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前言

本章是补充C语言语法的不足，以及C++是如何对C语言设计不合理的地方进行优化的。

一、问题引入

现在一起来回顾C语言中指针的玩法：

在C语言的指针中，我们需要开辟一块新的空间来存在变量的地址；若要通过指针间接改变变量a，则需要对p进行解引用(*p)进行对象的间接访问。然而，C++创始人Bjarne Stroustrup大佬就觉得指针（间接访问）用起来贼不舒服。因此，创建了一个新的语法 — 引用。

二、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。

• 引用的表示方式

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
	int a = 0;

	//对a取别名为b
	//语法表示：引用类型& 别名 = 引用对象
	int& b = a;

	return 0;
}

注意：引用类型必须和引用对象是同种类型的

接下来我们对b赋值是否会改变变量a

• 验证引用不会额外开辟内存空间

二、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，再也不能引用其他实体

三、引用的使用场景

• 实现一个交换函数

在C语言指针章节中，我们通常都是传变量地址给形参，这样才能对两个变量进行了交换。那么接下来看看引用版本：

引用做参数的意义：

1. 做输出型参数 — 形参的改变要影响实参
2. 提高效率

以下是引用做参数和未用引用做参数的性能比较

#include <iostream>
#include <time.h>
using namespace std;

struct A { int a[100000]; };



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;
}

• 数据结构 — 单链表

【C语言版本】

在单链表的插入中，当一开始链表为空时，需要改变头指针的指向，则要传地址。而如果用引用则是下面的代码

解释红色框框：由于引用类型必须和引用对象是同种类型，所以引用类型和引用对象的类型是ListNode*，然后再加上引用符（&），说明pplist是phead的别名。

• 引用做返回值

在讲引用之前先来回顾传值返回

#include <iostream>

using namespace std;

int func()
{
	int a = 0;
	a++;

	return a;
}

int main()
{
	int ans = func();
	
	cout << ans << endl;

	return 0;
}

变量a其实并不是直接返回给ans，中间会生成一个临时变量（可能是寄存器），变量a会拷贝给临时变量，然后返回给ans。那为啥会生成临时变量呢？原因是：变量a出了作用域，其栈帧就销毁了。而这个临时变量就是为了存储a的值，然后再返回给ans

那么如果不想要生成这个临时变量，有没有办法呢？我的回答是当然有，使用引用作为返回值，就不会产生临时变量。这也是传引用返回好处：减少拷贝，提高效率。

以上就是引用作为返回值的代码。但代码还是存在一些问题：类似野指针的访问。为什么呢？原因是：引用返回的是变量a的别名，当值传给ans时，变量a所在的空间就已经被销毁了（注意：销毁不是把空间整没了，而是把其使用权限还给了操作系统），那么func函数要作为这个表达式的返回值去赋值给ans，相当于又去访问了这个空间，所以会导致数据没有保障，也就是说其实ans的值其实是不确定的。总之，如果func函数结束，栈帧销毁，但没有清理栈帧（取决于编辑器，很明显VS是没有清理栈帧的），那么ans的结果是侥幸正确的；如果func函数结束，栈帧销毁，清理栈帧，那么ans就是随机值。

那么如何解决以上问题呢？用static修饰变量a就行了

为什么加个static就不会出现问题呢？因为static修饰的变量是在静态区的，即使func函数结束，栈帧销毁，也不会对其变量造成影响

总结：
1. 基本任何场景都可以用引用传参
2. 谨慎用引用做返回值，出了函数作用域，对象不在了，就不能用引用返回，还在就可以用引用返回

最后，我们可以测试值返回和引用返回的效率

#include<iostream>
#include <time.h>
using namespace std;
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;
}
int main()
{
	TestReturnByRefOrValue();
	return 0;
}

可见使用传引用返回确实可以减少拷贝，提高效率

四、 常引用问题

• const修饰引用对象
  

以上代码是错误的。原因是const修饰变量是常变量，不能被修改。自身都无法修改，再对其取别名，也就自然不能被修改了。这里也说明了一点：引用过程中，权限不可以放大

• const修饰别名

以上的代码是正确的。const修饰的是x的别名y，也就是缩小的y的权限，不能对y进行修改，但对x修改还是可以的。这里也说明了一点：引用过程中，权限可以平移或者缩小

• const修饰不同类型

首先来看看一下代码：

以上代码大部分人都认为是错的，其原因是：引用类型必须和引用对象是同种类型。其实只说对了一半，那如果我对别名变量前加上const是否还会报错呢？

编译器居然没报错。这是为什么呢？原因是：它们之间发生了类型转换。发生类型转换时，中间会产生临时变量，而这个临时变量具有常属性，并且这个临时变量对应转变的目标类型。

再举2个例子

1. 第386行代码正确的原因是：前面说过了，这种返回不是之间返回x的值，而是返回一个临时变量，这个过程相当于拷贝。
2. 第388行代码错误的原因是：由于返回的是一个临时变量，临时变量是具有常属性的，这导致类型不匹配，因此加上const即可解决

1. 410行代码解释：前面说过了，这种返回不是之间返回x的值，而是返回x别名，对别名再取别名是ok的
2. 412行代码解释：const修饰别名，缩小了res2的权限

五、引用和指针的区别（面试常考点）

1. 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。

2. 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

我们来看下引用和指针的汇编代码对比

3. 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
4. 引用在定义时必须初始化，指针没有要求

5. 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
6. 没有NULL引用，但有NULL指针
7. 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/64位是8个字节)

8. 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------->点击跳转查看
9. 有多级指针（一级指针、二级指针…），但是没有多级引用
10. 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
11. 引用比指针使用起来相对更安全。因为指针更容易出现空指针、野指针等等

六、总结

引用的出现是为了解决一些问题，主要包括：

1. 避免拷贝构造函数创建临时对象所带来的消耗。当将一个对象作为函数参数传递或返回时，如果使用传值方式，则会调用拷贝构造函数创建一个临时变量，这会带来额外的开销。
2. 让我们在函数内部修改传入的对象。如果不使用引用，则只能通过指针来实现这一点。