C++(Chapter 3)

C++(三)

1.引用

1.引用的概念

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。

引用的语法:类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体 ;

例如:

#include
using namespace std;
int main()
{
	int a = 9;
	// 给变量a取别名
	int& ra = a;
	 
	int* b = nullptr;
	// 给变量b取别名
	int* rb = b;

	cout << ra << endl;
	cout << rb << endl;
	return 0;
}

注意: 引用类型必须和实体是同一类型. 实体是int*,那么引用类型也得是int*.

我们也能通过改变引用来改变实体本身的值.例如:

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	cout << a << endl;
	ra = 100;
	cout << a << endl;
	return 0;
}

2.引用的特性

1.使用引用定义的变量必须要初始化.

例如:

2.一个变量可以有多个引用:

例如:

3.引用一旦指向了某一个变量,就不能在引用其他实体,也就是说,引用只能引用一个实体,不能同时引用多个实体.否则引用的值就会被改变

例如:

3.常引用

当我们写下这样的代码时,编译器就会报错: int& a = 0;,此时想引用一个常数时,就需要用到常引用了.

例如:(由于常量是不能被更改的,所以其引用应该也是不能被修改的,所以常量的引用应该也是不能被修改的,所以此时就应该为引用加上const来保证其实体不能被修改)

int main()
{
	const int& a = 0;
    //int& a = 0;这样写会报错
	return 0;
}

假如这样写呢: double& rb = 10;编译报错!

如何修改:

int main()
{
	const double& rb = 10;
	cout << rb << endl;
	return 0;
}

解释:由于10默认为int类型,而引用是一个double类型,所以在转换时,编译器会自动进行类型转化,而转化出的这个值相当于就是double类型的常量,用于赋值给double&的引用,所以这里得要用常引用即可.

4.引用的使用场景

1.做参数

例如:交换两个数

void Swap(int& a, int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	cout << a << b << endl;
	Swap(a, b);
	cout << a << b << endl;
	return 0;
}

2.作为返回值

int& Add(int a, int b)
{
	int ret = a + b;
	return ret;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int& ret = Add(a, b);
	cout << ret << endl;//30
	Add(100, 200);
	cout << ret << endl;//300
	return 0;
}

运行结果:

为何会出现这种状况呢?

• 因为ret是一个局部变量,是在Add函数的栈帧中创建的,当Add函数执行结束时,这ret变量的空间就被操作系统回收了,(注意:所谓的回收是指系统为这块空间打一个标记,有标记就说明这块空间是允许被覆盖的,当程序中有其他的需要申请空间的操作时,就会将有标记的空间中的内容给覆盖掉)但是这里并没有其他的需要申请空间的操作,由于两次调用期间,没有其他的需要申请空间的操作,所以当下一次调用ret函数时,就需要为这次Add调用的函数栈帧中的ret变量开辟的空间于前一次调用Add函数时的里的ret的空间是相同的,并将这块空间中的值赋值为300.所以外部ret引用的值又成了300.

由图可见,两次调用Add函数用的是内存中同一块空间.

传值调用就不会发生这种情况:

因为传值返回的返回值是值临时的拷贝,原来占据的空间会正常的被释放掉.

double Add(double a, double b)
{
	double ret = a + b;
	return ret;
}
int main()
{
	double a = 10;
	double b = 20;
	double ret = Add(a, b);
	cout << ret << endl;
	Add(100.0, 200.0);
	cout << ret << endl;
	return 0;
}

结果:

总结:

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。

3.传值返回和传引用返回的效率比较

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。

总而言之:传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

5.指针和引用的区别

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。

看下面这段代码:

int main()
{
	char a = 10;
	char& ra = a;
	char* pa = &a;
	cout << sizeof(ra) << endl;//1
	cout << sizeof(pa) << endl;//8
	return 0;
}

指针和引用的不同点:

• 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
• 引用在定义时必须初始化，指针没有要求.
• 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.
• 没有NULL引用，但有NULL指针
• 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
• 引用自加即引用的实体的值增加1，指针自加即指针向后偏移一个类型的大小.
• 有多级指针，但是没有多级引用.
• 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.
• 引用比指针使用起来相对更安全.

6.内联函数

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。

不使用内联函数:

使用内联函数:

2.特性

• 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。
• 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。
• 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。

// F.h
#include 
using namespace std;
inline void f(int i);


// F.cpp
#include "F.h"
void f(int i)
{
    cout << i << endl;
}


// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{
    f(10);
    return 0;
}

// 链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 "void __cdecl
f(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用

7.auto关键字

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.

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的使用:auto可以自动识别变量的类型.例如:

 int  main()
{
	 int a = 10;
	 auto aa = a;
	 cout << aa << endl;
     return 0;
 }

遍历数组的新方式:

int main()
{
	 int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
	 for (int x : arr)
	 {
		 cout << x << endl;
	 }
	return 0;
}

遍历数组的方式改进版本:

int main()
{
	 int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
	 for (auto x : arr)
	 {
		 cout << x << endl;
	 }
	return 0;
}

假如想要对数组中的元素进行操作,就可以使用 auto& x了,引用配合auto就可以操作数组中的元素.

int main()
{
	
	 int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
	 for (auto& x : arr)
	 {
		 x++;
	 }
	 for (auto x : arr)
	 {
		 cout << x << endl;
	 }
	 return 0;
}

运行结果:

2.auto的使用细则

• 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。
• auto与指针和引用结合起来使用时: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&,auto x;这种声明变量的方法是不可取的.
• 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。
• 例如:
  
• auto不能作为函数的参数,因为在编译时编译器无法对形参的类型进行推导.
• auto不能直接用于声明数组.
• 例如:
  

8.基于范围的C++的for循环(C++11支持)

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。

例如:

void TestFor()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    for(auto& e : array)
        e *= 2;
    for(auto e : array)
    	cout << e << " ";
    
	return 0;
}

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。

1.范围for循环的使用条件:

• 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。

• 例如以下代码就会有问题(因为for循环的范围是不确定的):

  void TestFor(int array[])
  {
      for(auto& e : array)
      cout<< e <<endl;
  }
  

9.指针空值nullptr(C++11)

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;
    // ……
}

C++98中的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：

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：

f(int)
{
	cout<<"f(int)"<<endl;
}
void f(int*)
{
	cout<<"f(int*)"<<endl;
}
int main()
{
    f(0);
    f(NULL);
    f((int*)NULL);
    return 0;
}

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。

因为:==在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，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形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void*)0。==

• 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(32为下4字节)。
  3. 为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。