[C++] C++入门第二篇 -- 引用& -- 内联函数inline -- auto+for

目录

1、引用 -- &

1.1 引用的概念

1.2 引用特性

1.3 常引用 -- 权限问题

1.4 引用的使用场景

1.4.1 做参数

1.4.2 做返回值

注意

1.5 传值、传引用的效率比较

1.6 引用和指针的区别

2、内联函数

2.1 概念

转存失败重新上传取消​编辑转存失败重新上传取消​编辑2.2 特性

3、auto

3.1 auto简介

3.2 auto的使用细则

3.3 auto不能推导的场景

3.4 auto与for合用

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1、引用 -- &

1.1 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。

比如：李逵，在家称为“铁牛”，江湖上人称“黑旋风”。同一个人，只不过是两个名字。

语法： 类型& 引用变量名（对象名） = 引用实体；

&是引用的符号，在C语言中&也表示取地址，还表示按位与，本质是运算符重载，运算符重载，一个符号会根据不同的场景，编译器会自己确定含义。

我们举例来看看&：

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

	cout << "a = " << a << "，地址：" << &a << endl;
	cout << "b = " << b << "，地址：" << &b << endl;
	cout << "c = " << c << "，地址：" << &c << endl;

	return 0;
}

运行结果： 

我们根据运行结果可以知道，a,b,c 指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：

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。

其实前两条我们理解记忆就好了：

1、引用是起别名，要有对象我们才能再去起别名，不存在对象给谁起别名；

2、一个小孩，妈妈可以叫他宝贝，爸爸可以叫他贝贝，爷爷也可以叫他狗蛋是吧，所以一个对象可以有多个别名（引用）。

我们对这三个用代码写一下看看： 

1.3 常引用 -- 权限问题

我们用代码来看：

int main()
{
	//1.权限放大
	const int x = 10;
	int& a = x;

	return 0;
}

我们来看看编译会不会出错：

这是因为，在引用中，对原变量的引用权限不能放大。

在这段代码中，x是const修饰的常变量，只能读取，不能修改。而a是int类型，针对类型来说，它是可以修改的。因此这就是权限放大，这是错误的。

我们继续往下看：

int main()
{
    
	//2.权限平移
	const int i = 20;
	const int& j = i;

	//3.权限缩小
	int z = 30;
	const int& y = z;

	return 0;
}

我们看结果：

对于权限的平移，权限的缩小都是没有问题的，由此我们可以看出：在引用中，对于权限来说，平移、缩小都是没有问题的，唯独要注意的是：权限不能放大。

特殊：

我们再往下看： 

直接能看出来，对于引用来说不能初始化为常量，这也算是权限的放大。 

改为const修饰就不会报错了。

最后看一个： 

引用的时候，不同的类型直接引用是会出错的。

1.4 引用的使用场景

1.4.1 做参数

void Swap(int& left, int& right)
{
	int tmp = left;
	left = right;
	right = tmp;
}

在C语言的时候，我们交换两个数我们使用指针来交换，而C++我们就可以使用引用来交换。

我们来测试一下：

1.4.2 做返回值

我们先来看一段代码：

int func()
{
	int n = 0;
	n++;
	return n;
}
int main()
{
	cout << func() << endl;

	return 0;
}

运行结果：

这是是一个传值返回，我们来深究传值返回的过程：

传值返回的时候会产生一个临时变量，跟传参一样，临时变量会先把n拷贝下来，然后再拷贝给函数调用，传值返回的类型其实是临时变量的类型，那么为什么要产生一个临时变量呢，直接返回n不香吗？

这是因为在函数调用的时候，功能函数会建立函数栈帧，而功能函数的每一条语句执行完后，函数栈帧会自动销毁，这时功能函数的整个函数体，包括函数体里的所有内容都随之销毁，返回的变量生命周期也就结束了。但是编译器在这里产生一个临时变量，要是小就用寄存器存储，将返回值拷贝给临时变量，再又临时变量拷贝给调用的函数，这就不会出错了。

有了上面的理解，我们再来看一段代码：

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

	return 0;
}

运行结果：

此代码的返回值是int&，而传引用是给变量起别名，而在这里返回的是别名，调用完func函数，栈帧销毁了，但是空间还在（类似于订酒店，我退房了，但是房间还在，别人还可以使用），给n起了别名之后再去打印，还是操作的n的那块空间，那块空间可能被清理的，也有可能还没有清理，如果没清理，那块空间的值还是1，如果被清理了可能就是其他值了。

注意

我们看上面的代码，在第二次打印的时候，n的值明显就不正确了，出了函数作用域，func函数被销毁了，我们再去访问那块空间的时候，就是非法访问了，这就是引用的一种野指针。

因此这里要注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在(还没还给系统)，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。

1.5 传值、传引用的效率比较

我们用代码来测试一下：

#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 time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}
int main()
{
	TestRefAndValue();
	return 0;
}

运行结果：

#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;
}

运行结果：

我们看到无论是传参还是返回，传引用的效率明显要高于传值。

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

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;
}

我们来看引用和反汇编代码的对比：

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

2、内联函数

2.1 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。

我们来看一下平常我们写的代码：

int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int ret = 0;
	ret = Add(1, 2);
	return 0;
}

我们可以看到，这里是在调用函数，但是我们要是不断要用Add函数的时候，不断的调用效率会比较低，因此在C++中，我们引入了内联函数（inline）。

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

我们可以看到，加了inline变为内联函数后，就不再是调用了，直接用函数体替换了函数调用，不用开栈帧，可以提高效率。

看到这是不是想到，C++的内联函数像是C语言的宏。

C++中的内联函数确实和C语言的宏用途是一样的，对于短小且频繁调用的函数，C语言用宏来代替函数，C++中用内联函数。

C++是全面兼容C语言的，我们直接用宏就可以了，那为什么我们还要使用内联函数呢？

1、宏在写的时候容易出错，且没有类型的检查，还不能调试。

2、内联函数会对参数的类型进行检查，还可以调试，书写上就是正常的写功能函数，在返回值类型前加inline。

如果想要看底层是调用还是直接展开的，查看方式：
1. 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
2. 在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则不会展开(因为debug模式下，编译器默认不会对代码进行优化，以下给出vs2019的设置方式)

 

2.2 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，编译器会自动优化，如果内联函数内存在循环/递归的时候，编译器会自动优化忽略掉内联。（一般建议10行以内）

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。

对于第二点我们做一下实验：

inline int Add(int x, int y)
{
	int sum = x + y;
	sum += x * y;
	sum += x * y;
	sum += x * y;
	sum += x * y;
	sum += x * y;
	sum += x * y;
	sum += x * y;
	sum += x * y;
	sum += x * y;
	return sum;
}
int main()
{
	int ret = 0;
	ret = Add(1, 2);
	return 0;
}

这里内联函数函数体一共写了十一行就算是函数调用了。

3、auto

3.1 auto简介

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量。C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

auto我们在C语言期间就接触过，C语言期间定义的局部变量默认是用auto修饰，因此我们在定义变量的时候从来不加auto，也就没人在意。但是到了C++11时期，auto有了新的身份，它可以自动推导类型。

我们来看一段代码，看看auto的自动推导类型：

int testAuto()
{
	return 1;
}
int main()
{
	int a = 0;
	auto b = a;
	auto c = 'c';
	auto ret = testAuto();

	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << typeid(ret).name() << endl;

	return 0;
}

运行结果： 

这段代码里面 typeid(变量名).name() 是推导变量类型的一个函数。

我们可以看到auto很智能，可以根据赋的值来推导类型。

注意：使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

3.2 auto的使用细则

1. auto与指针和引用结合起来使用：用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&。

int main()
{
	int x = 10;
	auto a = &x;
	auto* b = &x;
	auto& c = x;

	cout << typeid(a).name() << endl;
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;

	return 0;
}

运行结果： 

2. 在同一行定义多个变量：当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

void TestAuto()
{
    auto a = 1, b = 2;
    auto c = 3, d = 4.0; // 该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同
}

3.3 auto不能推导的场景

1. auto不能作为函数的参数

// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{}

2. auto不能直接用来声明数组

void TestAuto()
{
    int a[] = {1,2,3};
    auto b[] = {4，5，6};
}

3.4 auto与for合用

按照C语言我们的写法，遍历数组是下面的代码

int main()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
		array[i] *= 2;
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
		cout << array[i] << " ";
	cout << endl;

	return 0;
}

运行结果：

我们现在也可以使用auto这样来遍历数组：

int main()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for (auto e : array)
		cout << e << " ";

	return 0;
}

运行结果：

我们这里使用的是范围 for ，for循环后的括号由冒号”：“分为两个部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分表示迭代的范围。这里会自动判断结束的。

这里的e是取到数组里的元素，然后打印，不会影响数组元素。

如果想改变数组元素，我们可以使用auto& e，这是对数组元素起别名，直接改变数组元素，auto取到元素后会自动推导类型的。如下：

int main()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for (auto& e : array)
		e *= 2;
	for (auto e : array)
		cout << e << " ";

	return 0;
}

运行结果：

我们可以看到结果，这样写就把数组元素改了。