【C++初阶】C++入门二（引用、内联函数、auto、范围for、nullptr等）

配合本篇文章食用更佳：

【C++初阶】C++入门一（命名空间、输入&输出、缺省参数、函数重载等）

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（1）引用（很重要）

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，语法理解上程序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：宋江，绰号呼保义、及时雨、孝义黑三郎，不管叫哪个名字，都指的是宋江这个人。

int main()
{
	//一定要注意这里的 & 跟C语言中的取地址符号一样
	//但它们之间没有任何关联，各有各的用处
	int a = 10;
	int& b = a;  //定义引用类型
	int& c = a;  //注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

	cout << a << endl;
	cout << b << endl;
	cout << c << endl;

	return 0;
}

• b和c是a的引用，如图可以看到，a、b、c地址一样，共用同一块内存空间：

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2）引用的特性

1. 引用在定义时必须初始化

   int& b;  //error
   

2. 一个变量可以有多个引用

   int a = 10;
   int& b = a;
   int& c = a;
   

3. 引用一旦引用了一个实体，就不能再引用其它实体

   int main()
   {	
   	int a = 10;
   	int& b = a;
   
   	int c = 20;
   	b = c;  //error
       
       return 0;
   }
   

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3）const 常引用

const 修饰的原理：缩小了原有的「读写权限」，由「可读可写」变成了「只能读不能写」

例子（1）：

// 我变成你的别名的条件：不变或者缩小你的读写权限是可以的，放大你的读写权限是不行的

const int a = 10;
//int& ra = a;     //错误：ra变成a的别名，能读能写，放大了读写权限
const int& ra = a; //正确

例子（2）：

int b = 20;
const int& rb = b;  //正确：rb变成b的别名，只能读不能写，缩小了读写权限
//rb = 30;          //错误，不能写
b = 30;             //正确

例子（3）：

int i = 10;
//double& r = i;     //错误
const double& r = i; //正确

• 这是为什么呢？加个 const 就可以了，并不是因为类型的原因，而是：

  

• 再来看一个例子：隐式类型转换也会产生临时变量，所以程序运行结果是：不相同

int main()
{
	char ch = 0xff;
	int j = 0xff;
	if (ch == j)  //ch被整型提升成int类型，生成一个int类型的临时变量与 j 比较
	{
		cout << "相同" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "不相同" << endl;
	}

	return 0;
}

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4）引用的使用场景

• 思考题：下面程序运行后的情况是？

int main()
{
	int x = 3, y = 5;

	int* p1 = &x;
	int* p2 = &y;

	int*& p3 = p1;  //给指针变量取别名
	*p3 = 10;
	p3 = p2;

	return 0;
}

通过观察监视窗口可看到，p1、p2、p3都指向y

1、做函数参数

• 实例（1）：形参变量的改变，要影响到实参，用指针或引用解决

//交换两数的值（指针做参数）-- 原来的写法
void Swap(int* p1, int* p2)
{
	int tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}

//交换两数的值（引用做参数）-- 现在的写法
void Swap(int& ra, int& rb)
{
	int tmp = ra;
	ra = rb;
	rb = tmp;
}

int main()
{
	int a = 3, b = 5;
	//Swap(&a, &b);
	Swap(a, b);

	return 0;
}

• 实例（2）：引用在顺序栈中应用，如果为了减少传参时的拷贝，提高效率，以及保护形参不会被改变，用const 常引用

typedef struct Stack
{
	int* a;
	int top;
	int capacity;
}Stack;

//这里的引用是为了通过改变形参来影响实参
void StackInit(Stack& s)
{
	//...栈的初始化会改变指针的指向
}

//这里的常引用是为了减少传参时的拷贝，提高效率，以及保护形参不会被改变
void StackPrint(const Stack& s)
{
	//...
}

int main()
{
	Stack st;
	StackInit(st);
	StackPrint(st);

	return 0;
}

• 实例（3）：const常引用做参数的第二个好处，既可以接收变量，也可以接收常量

void func(const int& n)
{
	//...
}

int main()
{
	int i = 10;
	func(i);  //（1）传变量

    func(20); //（2）传常量
    
	const int j = 30;
	func(j);  //（3）传常变量
	return 0;
}

• 总结

1. 引用做参数，通过改变形参来影响实参
2. 引用做参数，减少传参时的拷贝，提高效率（尤其是当参数变量比较大时）
3. 如果函数中不改变形参的话，建议用 const 常引用做参数，因为
   • 可以保护形参避免被误改变
   • 即可以传普通对象，还可以传 const 对象

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2、做函数返回值（要非常的谨慎）

• 先来看两个例子

• 首先来看一个例子：函数的传值返回，过程中会发生什么呢？

//传值返回
int Add(int a, int b)
{
	int c = a + b;
	return c;
}

int main()
{
	int ret = Add(1, 2);
	cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
	return 0;
}

运行结果是：3（那么中间究竟发生了什么呢？）

原理分析：传值返回会产生一个变量 c 的临时拷贝，作为返回值，并不是直接返回变量 c，因为变量 c 随着函数 Add 栈帧销毁已经还给操作系统了

• 再来看这个例子：函数的传引用返回，过程中会发生什么呢？（这个是错误用法）

//传引用返回
int& Add(int a, int b)
{
	int c = a + b;
	return c;
}

int main()
{
	int ret = Add(1, 2);
	cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
	return 0;
}

这里就没有产生临时变量了，Add函数返回了整型变量 c 的引用 int&，严格意义上来讲，这里 Add(1, 2) 的结果是不确定的，取决于平台销毁栈帧时是否会清理栈帧空间中的数据，如果清理了，则是随机值，如果没有清理，则是 3。（此段代码在VS2019上运行时结果是 3，说明VS上没有清理栈帧）

当函数返回，栈帧销毁（所以变量 c 所在的空间已被销毁），我们又通过 tmp 去访问已经被销毁的空间去赋值给 ret，本身就是一种越界行为，是错误的，访问到到的值也是不确定的，所以这里的传引用返回是错误用法，只是为了帮助大家理解下传值返回和传引用返回，编译器的特性是什么。

原理分析：

用内存空间就像租房子一样，操作系统是房东，我们申请内存就像房东把房子租给我们用，法律保护别人不会到你的房子里面来，释放内存就像是我们退租了，房子还在，但使用权不是我们的了，房东可能把房子又继续租给别人。上题相当于我们退租后再拿着引用钥匙去访问房子，属于非法访问了。

• （重点）什么情况下才可以正确的去使用引用返回

• 举例如下：

int& func()
{
	static int n = 0; // 静态b
	n++;
	// ...
	return n;
}

• 总结

引用返回的价值是减少了拷贝（比如返回的是一个很大的结构体，优势一下子就体现出来了）

……其它价值后续在讲解……

• 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。

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5）传值&传引用的效率比较

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。

• 测试代码

#include
using namespace std;
#include

struct A
{ 
	int a[10000];  //4万字节的空间
};

// 传值，会拷贝4万字节的空间
void TestFunc1(A a) {}

// 传引用
void TestFunc2(A& a) {}

// 测试函数
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;
}

• 运行结果

可以看出以值作为参数效率是很低的

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6）值返回&引用返回的性能比较

• 测试函数

#include
using namespace std;
#include

struct A 
{
	int a[10000];  //4万字节的空间
};

A a;

// 值返回，会产生临时变量，且发生一次临时变量的拷贝
A TestFunc1() { return a; }

// 引用返回
A& TestFunc2() { return a; }

// 测试函数
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 << "A TestFunc1-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "A& TestFunc2-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

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

• 运行结果

可以看出传值返回效率是很低的

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（2）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。

底层实现意思就是编译转换成汇编去实现这个语法：（VS调式模式打开反汇编代码）

• （去理解不要记忆）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. 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，指针容易出现野指针、空指针等非法访问问题

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（3）内联函数

1）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。

某一个函数会被频繁调用，为了不建立栈帧，有什么优化的方法呢

• C语言中：宏定义，预处理时替换

// 宏定义
#define ADD(a,b) ((a)+(b))

int main()
{
	int x = 10, y = 20;
	
    // 注意：写宏的时候一定要考虑清楚，你的宏被替换后对不对？
	int ret = ADD(x | y, x & y);

	return 0;
}

不过宏也有不少缺点：

1. 语法复杂，需要注意的细节很多，容易出错
2. 没有类型安全的检查
3. 不支持调试

所以C++搞了一些东西来替换宏：const、enum 来替换宏常量，inline 替换宏函数

• C++中：内联函数

inline 内联函数在 debug 模式下默认是不会展开的（需要对编译器设置一下才行，因为debug模式下编译器不会对代码优化），release 模式下会展开，我们可以通过查看编译器生成的汇编代码中是否存在 call Add

inline int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	int ret = Add(10, 20);

	return 0;
}

• 调式模式下查看汇编代码，可以看到函数展开了，没有函数调用指令

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2）内联函数的特性

1. inline 是一种以空间换时间的做法，省去调用函数额外开销。所以代码很长或者有循环/递归的函数不适宜使用作为内联函数。（代码比较短，一般小于10行左右，频繁调用的适合inline）（长的函数展开，会引发代码膨胀，编译出来的可执行程序变大）
2. inline 对于编译器而言只是一个建议，编译器会自动优化，如果定义为 inline 的函数体内有循环/递归等等，编译器优化时会忽略掉内联。
3. inline 不建议声明和定义分离，建议都放到同一源文件中，分离会导致链接错误。因为 inline 被展开，就没有函数地址了，链接时就会找不到。

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（4）auto关键字（C++11）

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，但遗憾的是一直没有人去使用它，大家可思考下为什么？

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。

// 优点：类型太复杂，太长，auto自动推导可以简化代码
// 缺点：一定程度牺牲了代码的可读性
int main()
{
	int a = 1;
	char b = 'a';

	// 通过右边的赋值对象，自动推导auto声明的变量类型
	auto c = a;
	auto d = b;
	//auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化

	// typeid：可以去看变量的实际类型
	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << typeid(d).name() << endl;

	return 0;
}

运行结果：

【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。

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2）auto的使用规则

• auto 与指针和引用结合起来使用

• 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。

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3）auto不能推导的场景

• auto 不能作为函数的参数

• auto 不能直接用来声明数组

• 为了避免与C++98中的auto（自动变量）发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法
• auto 在实际中最常见的优势用法就是跟后面会学习到的C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用

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（5）基于范围的for循环（C++11）

1）范围for的语法

• C++98中要遍历一个数组，一般是这样写的

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	// 通过数组下标遍历，修改每个元素的值
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
	{
		array[i] *= 2;
	}
	// 通过指针遍历打印
	for (int* p = array; p < array + sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++p)
	{
		cout << *p;
	}
    cout << endl;
}

• C++11提供了一种新的访问数组的方式：范围for

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。

同时范围for还简化了代码。

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	// 自动依次取数组中的元素赋值给e，e是别名，e的改变就是数组的改变
	for (auto& e : array)  // 这里必须要添加引用
	{
		e *= 2;
	}
	// 自动依次取数组中的值赋值给e，自动判断结束
	for (auto e : array)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

【注意】与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

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2）范围for的使用条件

• for循环迭代的范围必须是确定的

对于数组而言，就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供begin和end的
方法，begin和end就是for循环迭代的范围。

• 迭代的对象要实现++和==的操作
• 关于范围for，大家需要知道，只是看起来很牛逼，实际上通过编译器转换成汇编代码，底层和普通遍历等是一样

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（6）指针空值nullptr（C++11）

指针其实就是一个编号，指针本质是以字节为单位内存空间的编号，空指针并不是不存在，而是内存的第一个字节的编号，一般我们不使用这个字节存有效数据，用空指针一般是用来初始化，表示指针指向一块没有存有效数据的而空间。

1）C++98中的指针空值

在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：

void TestPtr()
{
	int* p1 = NULL;
	int* p2 = 0;
}

但NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0  		  //
#else
#define NULL ((void *)0)  //
#endif
#endif

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void*)的常量。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如：

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。

在C++98中，字面常量0既可以是一个整型数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整型常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void *)0

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2）C++11中的指针空值

int main()
{
	// C++98
	int* p1 = NULL;

	// C++11，以后推荐它当空指针使用
	int* p2 = nullptr;

	return 0;
}

【注意】

1. 在使用 nullptr 表示指针空值时，不需要包含头文件，因为 nullptr 是C++11作为新关键字引入的。
2. 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0) 所占的字节数相同。
3. 为了提高代码的健壮性（robust），在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。

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