【C++】引用’&‘的深入解析

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个人专栏： 数据结构与算法C语言进阶
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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。

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！

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。

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;
}

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：

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;
}

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;
}

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;
}

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。