【C++】引用’&‘的深入解析

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文章目录

  • 一、什么是引用
  • 二、引用的表示及运算符重载
    • 1.运算符重载
    • 2.引用的表示方法
  • 三、引用的本质
    • 1.问题引入
    • 2.结论
  • 四、引用的三大特性
    • 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
  • 五、常引用
  • 六、使用场景
    • 1.做参数
    • 2.做返回值
      • (1)传值:
      • (2)引用做返回值
  • 七 、引用导致野指针
    • 对比1:
    • 对比2:
  • 八、传值和引用效率比较
  • 九、引用与指针区别

一、什么是引用

那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,给一个已经存在的变量取别名,这就是引用。

二、引用的表示及运算符重载

1.运算符重载

重载是C++新增的机制,将语义和功能相似的函数用同一个名字表示,提高函数的通用性。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。

C语言 C++
&取地址 &引用

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。

2.引用的表示方法

类型 & 引用变量名或者对象名 = 引用实体;

注意:引用类型必须和引用实体是同种类型的

三、引用的本质

1.问题引入

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

	return 0;
}

执行上述代码,进行调试观察他们的内存,发现a,b,c所指向的是同一块内存空间。
【C++】引用’&‘的深入解析_第1张图片

2.结论

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。

四、引用的三大特性

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

1.引用在定义时必须初始化

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。

int main()
{
	int a = 10;
	int& b ;//定义引用类型
	return 0;
}

如上,没有为b指定变量,系统报错!
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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。
例如:

int main()
{
	//引用:取别名
	int a = 10;
	int& b = a;//定义引用类型
	int& c = b;
	return 0;
}

a的引用有b,c两个。

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。

int main()
{
	//引用:取别名
	int a = 10;
	int m = 99;
	int& b = a;
	int& b = m;
	return 0;
}

上述代码,我们给b引用了变量a,又引用了变量m。
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五、常引用

引用原则:对原变量的引用,权限不能放大。但可以缩小。

例如:

int main()
{
	const int a = 10;
	int& b = a;
	return 0;
}

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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。

六、使用场景

1.做参数

Swap函数中,x是a的别名,y是b的别名。

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;
}

以引用作为函数参数,效率更高。

2.做返回值

(1)传值:

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

底层逻辑:
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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。所以,传值是会拷贝一份临时变量。

(2)引用做返回值

int& Count()
{
	int n = 0;
	n++;
	cout <<"n的地址"<< & n << endl;
	return n;
}
int main()
{
	int& ret = Count();
	cout << "ret的地址" << &ret << endl;

	return 0;
}

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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tmp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,就相当于是把n返回给了ret。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。
还需要注意,函数调用完会销毁栈,但是此时的ret仍然指向的原来栈帧。这也引出了下面的问题

七 、引用导致野指针

对比1:

使用变量ret接收返回值:int ret = Count();

int& Count()
{
	int n = 0;
	n++;
	cout <<"n的地址"<< & n << endl;
	return n;
}
int main()
{
	int ret = Count();
	cout << "ret1->" << ret << endl;
	cout << "ret2->" << ret << endl;
	cout << "ret3->" << ret << endl;
	return 0;
}

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返回三次,结果相同!
这是因为,ret是一个变量,在main函数中,它已经接收到了Count函数的返回值一个int型的变量并保存起来。只要我们不去改动ret的值,不会变。

对比2:

使用引用接收返回值: int& ret = Count();

int& Count()
{
	int n = 0;
	n++;
	cout <<"n的地址"<< & n << endl;
	return n;
}
int main()
{
	int& ret = Count();
	cout << "ret1" << ret << endl;
	cout << "ret2" << ret << endl;
	cout << "ret3" << ret << endl;
	return 0;
}

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ret的三次打印值不同!

这是因为1.函数栈帧调用完会销毁,2.我们使用的是引用操作ret来接收返回值。这个ret在这里其实就是n的别名,接收到的是一块空间,Count函数调用结束后,已经被销毁,但是ret仍然指向那块空间,那块空间在调用其他函数时可能会被调用,所以产生随机值。

综上所述,当函数返回时,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。当然第一引用返回肯定是对的。以后的则不一定。

八、传值和引用效率比较

值传递: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。
引用传递:传递的是别名

九、引用与指针区别

  • 相同点:
    本质: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。因此引用的底层实现上是按照指针的方式来实现的。
  • 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

注意点:例如:

char a = 'm';
char& p = a;

虽然我们说引用的底层逻辑是使用指针,但是这里求p的大小结果是1字节,也就是引用a的大小。而不是指针统一大小4/8字节。

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