【c++速通】入门级攻略：引用详解 | auto的类型推导 | 不一样的for循环 | nullptr版本空指针

屿小夏 ： 个人主页 个人专栏 ： C++入门到进阶 莫道桑榆晚，为霞尚满天！

前言

上篇文章中，对函数重载和内联函数的作用和特性使用，进行了精细的详解。

引用和指针混不清？引用的抽丝剥茧！还有不用写类型可以自动推导的关键字？for遍历竟然还有我们没见过的面孔！新版空指针nullptr！本篇会对这些进行细致的讲解，以帮助大家更好的了解c++语法。

️引用

​ 你有没有被人起过外号?比如身边的朋友,喊他的时候不会叫他的全名,像我很好的朋友,我一般都喜欢叫他"阿威",而不会去称呼全名.我叫他"阿威",他还是他没有什么问题.

​ 这里新登场的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.

☁️引用的概念

 语法	： 类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

从图中我们可以看出b不仅和a的值相同,地址也是一模一样!这是为什么?

这里要注意的一点是:引用类型必须和引用实体是同种类型的!

这里编译器直接就报错了,这样是不被允许的!

☁️引用的特性

⭐引用在定义时必须初始化

这里的引用a没有初始化,编译器直接报错了!

⭐一个变量可以有多个引用

此时这些引用都是n的别名,指向的就是n,和n共用一块空间!

⭐ 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

这里的n最开始是a别名,是指向a的引用,引用只能引用一个实体,一旦有了就不能再换了!所以这里的n拿到的是b的值,并不是引用了b,由于n是a的别名,二者共用一块空间,所以改了n改成了20,因此a也会是20!

☁️常引用

在C++中，常引用是指在函数参数列表或变量声明中使用const关键字来修饰的引用。常引用的作用是限制对被引用对象的修改。

语法：	const 数据类型 &引用名 = 被引用对象;

常引用的特点如下：

1. 常引用只能引用常量或临时对象，不能引用非常量对象。
2. 常引用不允许对被引用对象进行修改，即不能通过常引用修改被引用对象的值。
3. 常引用可以接受非常量对象、常量对象和临时对象作为参数。
4. 常引用可以提高程序的效率，因为常引用不需要创建临时变量。

常引用只能引用常量或临时对象，不能引用非常量对象。如果需要引用非常量对象并且不允许修改该对象的值，可以使用const修饰符来声明常量对象。

☁️使用场景

⭐做参数

在没有引用前,我们交换两个变量的值需要使用指针来完成。现在可以使用引用来完成了。

⭐做返回值

上面是一段有问题的代码！

这里的结果是不确定的,因为Add函数返回是c的别名,也就是引用,ret接受到的就是c,此时ret就是c,第一次调用,如果函数栈帧结束后,这块空间没有被销毁,那么ret就是3,如果空间被销毁了,那么ret就是不确定的值.

​ 第二次函数调用Add,虽然ret没有接受,但是因为在第一次函数调用后,ret就已经是c的别名了,是指向c的引用,由于函数栈帧空间的复用性,第二次Add的调用还是在上一次的空间,此时c更改了值,那么ret也就会修改!

​ 但是这是不确定的,因为在不同的编译器下,函数栈帧调用后,会不会立即清空空间,所以值是不确定的,如果销毁了,那么ret引用的值就是个随机值,如果没销毁,那就是函数正常的返回值.(vs2022下不会立即空间清除)

但是如果加上了static修饰就会不一样,因为被static修饰的变量是静态变量,是放在静态区上的,而不是栈上,并且由于static修饰的静态的变量只能被初始化一次,所以可以在一定程度上保证安全.

☁️传值与传引用效率比较

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。

如图所示,你可以看出传引用的效率还是很高的!

• 传值的优点是简单、直观，不会对原始数据产生任何影响。但是，传值会导致参数的副本被创建，如果参数较大，传值的效率可能会比较低。

• 传引用的优点是效率高，因为不需要创建参数的副本。同时，传引用可以直接修改原始数据，对原始数据产生影响。但是，需要注意的是，如果函数内部不需要修改参数的值，传引用可能会导致意外的修改，因此需要谨慎使用。

☁️值和引用作为返回值类型的性能比较

函数可以返回值或引用作为返回类型。返回值是将函数的结果复制一份返回，而返回引用是返回原始数据的引用。

通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

• 返回值的优点是简单、直观，不会对原始数据产生任何影响。但是，返回值会导致结果的副本被创建，如果结果较大，返回值的效率可能会比较低。

• 返回引用的优点是效率高，因为不需要创建结果的副本。同时，返回引用可以直接修改原始数据，对原始数据产生影响。但是，需要注意的是，返回引用时需要确保原始数据的生命周期足够长，否则返回的引用可能会指向无效的数据。

☁️指针和引用的区别

引用在很多地方好像与指针类似,这里来区分他们二者的不同.

⭐语法上的区别

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

⭐底层上的区别

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

⭐检验

通过观察汇编我们可以看出,引用的实现是与指针相同的。那既然如此,引用是不是就是指针呢?我们来验证一下,指针根据平台的不同,分为4~8字节,我们来看看引用的大小。

64位平台下,指针大小8字节,而引用ccc还是1个字节的大小,因为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,编译器是跟语法走的。

⭐引用与指针的不同点

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

️auto关键字

☁️类型别名

随着程序越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，经常体现在：

1. 类型难于拼写
2. 含义不明确导致容易出错

以前我们可能会用到typedef来给复杂的类型取别名.

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef有会遇到新的难题

在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的
类型。然而有时候要做到这点并非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义.

☁️auto简介

“auto” 关键字是C++11引入的，用于自动推导变量的类型。它可以根据变量的初始值来确定变量的类型，从而简化代码编写和类型声明的过程。

• 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。
• 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使用细节

⭐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&

⭐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。

☁️auto不能推导的场景

⭐函数参数

由于函数参数的类型是在函数调用时确定的，编译器无法在编译时推导出参数的类型。

void foo(auto x); // 错误，auto 不能用于函数参数的类型声明

⭐模板参数

模板参数的类型是在实例化时确定的，编译器无法在编译时推导出模板参数的类型。

template 
void foo(auto x); // 错误，auto 不能用于模板参数的类型声明

⭐类成员变量

类成员变量的类型是在类定义时确定的，编译器无法在编译时推导出类成员变量的类型。

class MyClass {
    auto x; // 错误，auto 不能用于类成员变量的类型声明
};

⭐静态变量

静态变量的类型是在编译时确定的，编译器无法在编译时推导出静态变量的类型。

static auto x = 10; // 错误，auto 不能用于静态变量的类型声明

☁️auto不能直接用来声明数组

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

}

• 为了避免与C++98中的auto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C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用.

️范围for

☁️语法

正常我们如果要遍历一个数组的话,会是下面这样的代码:

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

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。

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。

☁️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。

  注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定,在函数参数中，使用数组作为参数时，会自动转换为指针类型。因此，int array[] 实际上是 int* array 的语法糖。

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

⭐迭代的对象要实现++和==的操作

关于迭代器,我会在以后的文章中,给大家详细讲解

️指针空值(nullptr)

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。

☁️NULL

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

⭐指针空值

在 C 语言中，通常使用宏定义 NULL 来表示空指针。NULL 被定义为一个整数常量 0。在 C++ 中，也可以使用 NULL 来表示空指针，但更推荐使用更加类型安全的 nullptr。

int* ptr = NULL; // 使用 NULL 表示空指针

☁️nullptr

在 C++11 中引入了 nullptr 关键字，用于表示空指针。nullptr 是一个特殊的空指针常量，具有空指针类型。使用 nullptr 可以避免一些与整数常量 0 相关的问题，提供更好的类型安全性。

int* ptr = nullptr; // 使用 nullptr 表示空指针

☁️注意事项

1. nullptr 可以隐式转换为任意指针类型，但不能隐式转换为整数类型。
2. nullptr 和 NULL 是不同的。nullptr 是一个空指针常量，而 NULL 是一个整数常量。
3. 在 C++11 中，推荐使用 nullptr 来表示空指针，以提供更好的类型安全性。
4. 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。
5. 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
6. 为了提高代码的健壮性，表示指针空值时建议最好使用nullptr。

️全篇总结

​ 本章我们详细的了解到了c++中的引用,还有作为关键字引入的auto和nullptr,以及一种新的for遍历方式.

☁️至此c++入门篇就已经算是结束啦,如果你搞明白这些,c++就已经算是入门啦!
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