[C++] 一篇带你搞懂引用（&）-- C++入门（3）

问题引入

在我们日常的生活中每个人都或多或少存在一个"外号"，例如《西游记》中孙悟空就有诸多外号：美猴王，孙行者，齐天大圣等等。那么在C++中，也可以给一个已经存在的变量取别名，这就是引用。

那么接下来深入来探讨一下引用

目录

1.引用的概念

1.1引用的表示方法

1.2引用特性

1.3常引用  引用权限

1.4引用的使用场景

1.4.1做参数

1.4.2做返回值 

传值的底层过程：

引用导致野指针：

1.5值和引用作为返回值类型的性能比较

1.6引用和指针的区别

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1.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。

1.1引用的表示方法

类型 & 引用变量名 ( 对象名 ) = 引用实体；

如果熟悉C语言的同学可能会发现引用符号(&)看上去就像取地址运算符(&)或者按位AND运算符(&)，其实这是一个运算符重载的例子。通过重载，同一个运算符将会有不同的含义。编译器会通过上下文来确定运算符的含义。除了这里所提到的，其实在C++中还有一些运算符重载的情况。例如：* 即表示乘法，又表示对指针的解引用操作；<<即表示插入运算符，又表示按位左移运算符等。

代码实例：

int main()
{
	//引用：取别名
	int a = 10;
	int& b = a;//定义引用类型
	int& c = b;

	return 0;
}

本段代码我们可以得知，a变量取了b，c两个别名。

我们也可以通过调试观察他们的内存：

通过调取内存我们可以发现，a,b,c所指向的是同一块内存空间。

注意： 引用类型 必须和引用 实体 是 同种类型 的

1.2引用特性

引用有三个特性，分别是：

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

 1.引用在定义的时候必须初始化

由于引用是对已经存在的变量进行取别名，因此使用引用时必须指定变量(初始化)。

int& d;//错误，未初始化

2.一个变量可以有多个引用

在C++语法中，一个变量有多个引用，就类似于一个人可以有多个外号。在1.1的代码实例中变量a就有2个引用，分别是b和c。

3.引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

这个也比较好理解，因为引用一旦引用了一个已经存在的实体，就是这个实体的别名，当然不能再成为其他实体的别名。

1.3常引用  引用权限

我们来观察下面这段代码，他能编译成功吗？

int main()
{
   //1.
	const int x = 20;
	int& y = x;      

	return 0;
}

当我们编译这段代码发现编译器报出错误警告： 无法从“const int”转换为“int &”

 这是因为我们在引用的时候要遵守引用的原则：

引用原则:对原变量的引用，权限不能放大。

1.3这段代码中x变量是const修饰是一个常变量，只有可读权限。而我们引用的类型是int，不仅有可读权限，还有可修改权限。这就造成了对原变量的权限放大。根据我们引用原则知道，对原变量的引用，权限是不能放大的，这就是为什么这段代码会报错的原因。

那我们再来看这一段代码，它能编译成功吗？

int main()
{
	//2.
	const int x = 20;
	const int& y = x;//不变
 
    //3.
	int c = 30;
	const int& d = c;//缩小

	return 0;
}

 这段代码我们发现编译成功了，我们也可以轻松地分析出这里的引用是遵守引用规则的，我们发现，权限不变或者权限缩小都是符合规则的，唯一需要注意的是：权限不能放大。

1.4引用的使用场景

1.4.1做参数

void Swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

int main()
{
	int a = 0, b = 1;
	Swap(a, b);
	return 0;
}

引用可以作函数的形参，x是a的别名，y是b的别名。这里使用引用更加方便，也更好理解。

那既然以值作为函数参数和以引用作为函数参数都能解决这个问题，那为什么还要使用引用来做参数呢？这是因为引用的效率更高，我们可以通过下面这段测试代码更加直观看出效率的差别：

#include 
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 < 10000; ++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 < 10000; ++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;
}

 我们发现使用引用作为函数参数效率大大提高。以值作为参数或者返回值类型，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，因此用值作为参数或者返回值类型，效率是非常低下的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。

引用做参数的意义：

1.输出型参数。

2.减少拷贝，提高效率。

1.4.2做返回值 

首先我们来观察这段代码的返回值是什么?

int Count()
{
	static int n = 0;
	n++;

	return n;
}
int main()
{
	cout << Count() << endl;
	cout << Count() << endl;
	cout << Count() << endl;

	return 0;
}

 这里的结果是：1 2 3

因为n是局部静态的成员变量，只会初始化一次，虽然作用域在Count函数内部，但是生命周期是全局，我们可以通过调试观看他是否再执行函数的第一句？

传值的底层过程：

传值返回这个过程当中会产生一个临时变量，跟传参一样，如果小会用寄存器替代。传值返回的类型其实是临时变量的类型，将n拷贝给临时变量，再将临时变量拷贝给ret。那么为什么要设计临时变量呢？直接把n给ret不好吗？

这是因为在当临时变量出了函数作用域之后会销毁，函数栈桢也会销毁，那么此时n是不能作为返回值再赋值给ret的。那么编译器就在此生成了一个临时变量，把n拷给临时变量，再把临时变量给ret。此时，函数栈桢销毁是不会影响临时变量的。

 

 那我们怎么可以证明这个过程产生了临时变量，我们可以给ret前加个引用。

 此时我们发现，编译器是过不了的，这是因为此时ret是引用的临时变量，而临时变量具有常性，这里属于权限的放大，因此我们只需要加上const即可。我们也通过这个例子证明了临时变量的存在。

 

那现在我们给Count函数加个引用是什么意思？我们来看这段代码。

int& Count()
{
	int n = 0;
	n++; 

	return n;
}
//中间产生了一个临时变量
int main()
{
	int ret = Count(); 

	return 0;
}

这里可以这么认为，中间也会产生一个临时变量，这个临时变量的类型为int&，此时这个临时变量是n的别名，再把临时变量赋给ret。返回的是一个n的别名，就相当于是吧n返回给了ret。

 此时我们再观察这段代码我们发现编译器可以通过了，这里ret相当于是n的别名。

我们可以打印n和ret的地址看看：

这里ret和n的地址相同，也能证明ret是n的别名。因此，引用作为返回值其实返回的就是n的别名。

引用导致野指针：

 这段代码合法吗？

其实这段代码是不合法的，因为出了函数的作用域，Count函数已经销毁了，我们再对此空间进行访问，就会造成非法访问，这里就是引用搞出来的野指针。

我们来验证一下：

//传引用返回的是n的别名
int& Count()
{
	int n = 0;
	n++; 
	//cout << "n:"<< & n << endl;

	return n;
}
//中间产生了一个临时变量
int main()
{
	int& ret = Count(); //ret是别名的别名  也就是n的别名
	cout << ret << endl;
	cout << "ret"<< & ret << endl;
	cout << ret << endl;

	return 0;
}

通过打印我们能够发现：第二个ret打印的是随机值。

因此此处需要注意 ：

如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还未还给系统，则可以使用引用返回，如果已 经还给系统了，则必须使用传值返回。

我们来做一个实例巩固一下：

下面这段代码的结果是什么？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;
	return 0;
}

结果：7，这里是因为在第一次调用Add时，ret为3，Add函数的栈桢销毁，在第二次调用时，Add函数的栈桢是相同的，c的位置为覆盖为7，再次访问ret此时就为7，因此这里使用是不安全的。以下打印就可以更加清晰了解这个过程。

1.5值和引用作为返回值类型的性能比较

#include 
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;
}

通过打印我们发现引用作为返回值类型大大提高了效率。

原因：以值作为参数或者返回值类型，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，因此用值作为参数或者返回值类型，效率是非常低下的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。

1.6引用和指针的区别

引用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。

int main()
{
	int a = 10;

	int& ra = a;
	ra = 20;

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

	return 0;
}

我们来看引用和指针的汇编代码对比：

因此引用的底层实现上是按照指针的方式来实现的。

引用和指针的不同点:

1. 引用在定义时必须初始化，指针没有要求

2. 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

3. 没有NULL引用，但有NULL指针

4. 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)

5. 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

6. 有多级指针，但是没有多级引用

7. 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

8. 引用比指针使用起来相对更安全

（本篇完）