【C++入门第二期】引用 和 内联函数 的使用方法及注意事项

前言

本文主要学习的是引用 及 内联含函数，其中的引用在实际使用中会异常舒适。

引用的概念

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。

打个比方：你的名字叫张小三，你妈叫你小张，同学叫你小三，公司员工叫你张总。如上所述虽然你名字叫张小三，但大家却叫着你不一样的别名（小张/小三/张总）且你也知道他们是在叫你。

初识引用

使用方法：
类型& 引用变量名(引用对象别名) = 引用对象；

如下变量 rival 引用了 ival

区分引用和取地址

注意：& 即可 取地址 也能 引用

区分方法：&左边 “为类型名”则为引用 ，&左边“不是类型名”则为取地址 （先记住后面会解释为什么）

引用与对象的关系

如下：rival 引用了对象vial ，打印出 rival 和 ivil 的值一致。

但仅仅只是值一样吗？
下面我打印出 rival 和 ivil 的地址，两者地址也一致。

经实践得出以下两个点：
1：引用和被引用对象存储的内容一致
2：引用和被引用对象的地址一致

总结：地址都一样所以他们访问的是同一块内存

再举个栗子：一开始我们给 00FEFA10（ 开始的4字节）这块地址取名（变量名）为ival ，后面我们又给 00FEFA10（ 开始的4字节）这块地址取个新名字 rval，且新老名字均可用。

提出问题：既然引用是给和被引用对象访问的是同一块内存，那其功能是否一致呢？

下图依然是 rival 引用了对象vial ，rival改变时 rvial 也改变 ，ival改变时 rvial 也改变。
这是肯定的因为两者地址都一样

引用的特性

1. 引用在定义时必须初始化
   
   引用等于是给某个变量取别名，所以必须明确（初始化）这个别名给谁

2. 一个变量可以有多个引用
   
   还是上面那个例子：你的名字叫张小三，你妈叫你小张，同学叫你小三，公司员工叫你张总。
   虽然这几个名字有所不宜但都是你

3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
   

可以看到当 pa 初始化为 a 的引用后，pa = b 时 b 只是把值赋值给了 pa
pa 和 a 的地址仍然一样，只是值发生了变化。由此可见 ， 引用一旦初始化则引用对象就不会发生改变

4：当引用对象为const修饰对象时，引用也应为 const 修饰

当 a 为 const int 类型时，用 int 类型的 pa 引用 a 时会报错。原因是两者类型不匹配当int类型对象引用const int 对象时存在权力放大，这是不被编译器允许的，语法本身也不允许。

因为int 类型是变量 ，而 const int 是具有常量属性的。所以引用对象也应为 const int 类型 ；如下

4.1 但是如果被引用对象为 int 类型 ，引用可以为const int 类型

如上图被引用对象为 int 类型 ，引用可以为const int 类型，这种现象叫做权力缩小, 权力缩小是被编译器及语法所允许的。

就如下图，在C语言中当我们不想让指针通过解引用改变变量时，就会在类型前加const，这也是一种权力缩小

总结:
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
4. 引用时权力只能同等（int 和 int ）或 缩小，不能放大。但引用的权力缩小并不影响被引用对象

引用的使用场景

1. 做参数
   对比使用指针做参数使用起来更简单哦
   
2. 做返回值
   
   但是注意：返回的引用对象出了其函数作用域必须还存在，接收其返回值的对象将能接收到，如果返回对象出了函数作用域就被销毁了只能用传值返回

传值和引用性能比较

在传参和返回期间，函数不会直接传递实参或者将变量本身直接返回，而是传递实参或者返回变量的一份临时的拷贝，因此大量用值作为参数或者返回值类型，效率是比较低的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。

如下是传值调用和传引用调用的测试代码

#include 
struct A { int a[100000]; };
void Test1(A a)
{}
void Test2(A& a)
{}
void DateTest()
{
	A a;
	size_t begin1 = clock();//计时用的
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)//执行Test1函数次数
		Test1(a);// 以值作为函数参数
	size_t end1 = clock();
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)//执行Test2函数次数
		Test2(a);// 以引用作为函数参数
	size_t end2 = clock();
	// 分别计算两个函数运行结束后的时间
	cout << "Test1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "Test2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}
int main()
{
	//test1();
	DateTest();
	return 0;
}

经测试当我们传的是 A 这样的结构体分别循环100000次时，传值调用和传引用调用相差巨大分别是759和2,两者相差300多倍

如下是传值和引用返回测试代码

#include 
struct A { int a[100000]; };
A a;//返回值
A Test1( )
{
	return a;
}
A& Test2( )
{
	return a;
}
void DateTest()
{
	size_t begin1 = clock();//计时用的
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)//执行Test1函数次数
		Test1();// 以值作为函数参数
	size_t end1 = clock();
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)//执行Test2函数次数
		Test2();// 以引用作为函数参数
	size_t end2 = clock();
	// 分别计算两个函数运行结束后的时间
	cout << "Test1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "Test2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}
int main()
{
	//test1();
	DateTest();
	return 0;
}

经测试当我们返回的是 A 这样类型的结构体分别循环100000次时，值返回和引用返回相差巨大分别是1549和2,两者相差700多倍

通过上述代码的比较，发现传值和引用在作为传参以及返回值类型上效率相差很大
我给定的测试数据量都比较大，方便让大家看出差距，具体可用上述代码自行测试哦；

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

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。同时我们来看下引用和指针的汇编代码对比
如下图可以看到，引用和指针的汇编代码一致

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

内联函数

引出：
当我们某个函数需频繁调用时，函数栈帧建立会异常频繁导致代码效率下降

以前我们会把一些短小的函数写成宏来解决这一问题比如下图

但是宏也有缺点：
1.不能调试
2.没有类型安全的检查
3.有些场景下非常复杂

而 C++ 针对这一问题设计出了内联函数 ，内联函数的关键字为 inline

inline int ADD(int x, int y)
{
	int ch = x + y;
	return ch;
}
int main()
{
	ADD(1,2);
	ADD(1, 2);
	return 0;
}

内联函数的概念

以inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

查看设置
在 release 版本下，inline 内联函数会直接在调用部分展开但是 release 版本下其他版本优化的太多，不太好观察
debug 版本则需要自己设置一下编译器才能查看，否则不会展开因为debug不做代码优化
（vs2019）首先打开解决方案资源管理器，右击项目名称，选中属性并打开点击常规->调试信息格式，选择程序数据库

在 C/C++ 优化一栏，将内联函数扩展部分选中 ->只适用于 __inline (/Ob1)

设置完成点击应用

设置前汇编代码，可以看到需要调用ADD函数

设置后汇编代码可以看到，call ADD不见了，call 是函数调用的指令，没有说明代码没有进行函数调用，内联函数直接在局部展开了。

内联函数的特性

1. inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，缺陷：可能会使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运
   行效率。
2. 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。下图为《C++prime》第五版关于inline的建议：
   
3. 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。

结论：函数内容较短，且频繁调用的函数建议定义成 inline 可节省函数栈帧的消耗