【C++】引用、内联函数、auto关键字、基于范围的for循环、指针空值nullptr

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前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：

C++是一门强大而灵活的编程语言，拥有许多特性和语法糖，让程序员能够更高效地编写代码。在本博客中，我们将探讨一些C++中常用的特性，包括引用、内联函数、auto关键字、基于范围的for循环以及指针空值nullptr。通过深入了解这些特性，我们可以写出更简洁、高效且易于维护的C++代码。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

引用

引用概念

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。

这就好比一个人的名字，身份证上是你的名字，你可能也有乳名或者外号，但是这都代表的是你本人！！！

使用：类型& 引用变量名（对象名）= 引用实体；

看一段程序

你会发现，pa和a的地址是同一个地址，这也证明了变量和引用变量共享同一块内存空间

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的。扩展点：引用的本质是指针，但是语法上引用变量不会开辟空间

引用特性

• 引用在定义的时候必须初始化

int& b;//这种写法编译器会报错

• 一个变量可以有多个引用

int a=0;
int& ra=a;
int& rb=a;
int& rra=ra;

• 引用一旦引用一个实体，再也不能引用其他实体

int a=0;
int& ra=a;
int x=0;
ra=x;

这里最后是赋值操作，并不是ra重新引用x变量

常引用

先看一段代码，思考一下为什么？？？

#include 
using namespace std;
int main()
{
	int a = 0;
	int& b = a;

	const int c = 0;
	int& d = c;
	return 0;
}

这里很明显上面代码没错，下面代码报错了。结论：这是因为在指针和引用中，权限只能缩小，不能放大！！！
在上面代码中，a变量是可读可写的，b也是可读可写的，这里没问题，但是下面c是只读的，d是可读可写的，这里就会出大问题，问题就在于，他们两个共用一块内存，变量c自身都是只读的，被你引用后你怎么能修改我呢？？这就是权限只能缩小，不能放大的由来

还有一种情况就是类型不一致的情况

这里编译器也报错了，报错原因是无法用 “double” 类型的值初始化 “int &” 类型的引用(非常量限定) ，这里又是为什么呢？接下来我讲用画图板来给大家解释。

类型不同时，隐式类型转换和引用都会中间产生一个临时变量，而临时变量具有常性（相当于被const修饰），因此int&b的引用相当于权限的放大，这里加上const之后就没问题了

修改后，程序编译通过

注意：变量之间的赋值没有权限的的缩小和放大问题，只有引用和指针有，因为变量赋值不是共用一块内存空间

使用场景

1. 作参数

#include 
using namespace std;
void swap(int& num1, int& num2)//引用做参数
{
	int tmp = num1;
	num1 = num2;
	num2 = tmp;
}
int main()
{
	int num1 = 10;
	int num2 = 20;
	swap(num1, num2);
	cout << num1 << " " << num2 << endl;
	return 0;
}

图解

2. 作返回值

int& test()//引用做返回值
{
	static int n = 0;
	n++;
	return n;
}
int main()
{
	/*int num1 = 10;
	int num2 = 20;
	swap(num1, num2);
	cout << num1 << " " << num2 << endl;*/
	cout << test() << endl;
	cout << test() << endl;
	cout << test() << endl;
	return 0;
}

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操作系统，则可以使用引用返回，如果已经还给系统，则必须使用传值返回

总结：通常情况下，如果引用返回的是局部变量，那么很可能会出现潜在的问题，返回的变量中的值可能是随机值，所以一般情况下，引用返回的是全局变量或者被static修饰等，那么原因是什么？？

图解

总的来说，传值返回发生了一次拷贝，多开辟了一次空间，而传引用返回仅仅是返回变量的别名，没有开辟新的空间！！

传值、传引用效率对比

传值与传引用效率对比示例：

在C++中，函数参数的传递方式对性能有一定影响。传值方式会将实参的值复制到形参，而传引用方式直接传递实参的地址。以下是一个简单的例子，展示了传值与传引用的效率对比：

#include 
#include 

// 传值方式
void passByValue(int a, int b) {
    // 一些操作
    int result = a + b;
}

// 传引用方式
void passByReference(const int& a, const int& b) {
    // 一些操作
    int result = a + b;
}

int main() {
    // 测试传值方式
    auto startValue = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        passByValue(42, 23);
    }
    auto endValue = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    auto durationValue = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(endValue - startValue);
    std::cout << "传值方式耗时: " << durationValue.count() << " 微秒" << std::endl;

    // 测试传引用方式
    auto startReference = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        passByReference(42, 23);
    }
    auto endReference = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    auto durationReference = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(endReference - startReference);
    std::cout << "传引用方式耗时: " << durationReference.count() << " 微秒" << std::endl;

    return 0;
}

示例说明：

在上述例子中，通过std::chrono库计算了通过传值方式和传引用方式调用函数的耗时。通常情况下，传引用方式相对于传值方式可能具有更好的性能，因为它避免了值的复制操作。

注意事项：

• 对于小型数据或内置类型，传值可能更为合适。在大型数据结构或自定义类型时，传引用可以减少复制开销。
• 优化建议：在实际应用中，应该根据具体情况选择合适的传递方式，并根据实际性能需求进行优化。

引用和指针的区别

在语法概念上,引用就是一个别名，没有自己独立的空间，和其引用实体共用同一块空间。

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

但是在底层实现上，引用实际是有空间的，因为引用是按照指针的方式来实现的。

我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

引用和指针的不同点:

1. 定义和声明：

• 引用： 引用是变量的别名，必须在定义时初始化，并且初始化后不能再引用其他变量。

  int x = 10;
  int& ref = x;  // 引用的初始化
  

• 指针： 指针是一个变量，存储另一个变量的地址，可以在任何时候指向其他变量。

  int x = 10;
  int* ptr = &x;  // 指针的初始化
  

2. 内存操作：

• 引用： 引用在内部被视为被引用变量的别名，没有自己的内存地址。
• 指针： 指针有自己的内存地址，存储其他变量的地址。

3. 空值（Null）：

• 引用： 不存在空引用的概念，必须在初始化时指向有效的对象。
• 指针： 可以具有空指针值，即指向空地址（nullptr）。

4. 重指向：

• 引用： 一旦引用被初始化，就无法更改其引用对象。
• 指针： 可以通过重新分配来更改指针所指向的对象。

  int x = 10;
  int* ptr = &x;  // 指向 x
  int y = 20;
  ptr = &y;       // 指向 y
  

5. 访问方式：

• 引用： 使用引用时，不需要使用解引用运算符*，直接使用引用变量即可。
• 指针： 使用指针时，需要通过解引用运算符*来访问指针所指向的值。

  int x = 10;
  int& ref = x;    // 使用引用
  int* ptr = &x;   // 使用指针
  std::cout << ref << std::endl;  // 不需要解引用
  std::cout << *ptr << std::endl; // 需要解引用
  

6. 大小：

• 引用： 引用在内存中通常不占用额外空间。
• 指针： 指针在内存中占用一定的空间，通常是机器的字长。

示例说明：

#include 

int main() {
    int x = 10;
    
    // 引用的使用
    int& ref = x;
    std::cout << "引用值：" << ref << std::endl;

    // 指针的使用
    int* ptr = &x;
    std::cout << "指针值：" << *ptr << std::endl;

    // 重指向
    int y = 20;
    ptr = &y;
    std::cout << "重指向后的指针值：" << *ptr << std::endl;

    return 0;
}

上述示例展示了引用和指针的基本用法以及它们之间的不同点。根据具体的场景和需求，选择引用或指针将有助于更清晰和有效地编写代码。

内联函数

概念

以inline修饰的函数叫内联函数，编译时，C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数压栈的开销，内联函数提升了程序运行的效率。

如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数，在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。
查看方式：

1. 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
2. 在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则不会展开(因为debug模式下，编译器默认不会对代码进行优化.

特性

1. inline是一种以空间换时间的做法，省去调用函数的额外开销，所以代码很长或者有递归的函数不适宜使用作为内联函数。
2. inline对于编译器来说只是一个建议，编译器会自动优化，如果定义为inline的函数体内有递归等等，编译器优化时会忽略内联。
3. inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误，因为inline被展开了，就没有函数地址了，链接就会找不到。

宏的优缺点？
优点：
1.增强代码的复用性。
2.提高性能。
缺点：
1.不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
2.导致代码可读性差，可维护性差，容易误用。
3.没有类型安全的检查 。
C++有哪些技术替代宏？

1. 常量定义 换用const
2. 函数定义 换用内联函数

auto关键字

auto概念

早期C++语法中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，但是可惜的是一直没有人去使用，大家可以去网上搜寻一下是为什么？
C++11中，赋予了auto全新的含义：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申明的变量必须由编译器在编译时期推导而得

int TestAuto()
{
	return 10;
}
int main()
{
	int a = 10;
 	auto b = a;
 	auto c = 'a';
 	auto d = TestAuto();
 
 	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;
 	cout << typeid(d).name() << endl;
 
 //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
 return 0;
}

上述代码中使用的auto关键字来推导接收到的值是什么类型，并使用typeid().name()来判断对象或者变量所属的类型是什么

注意：使用auto定义的变量必须对其初始化（这里和引用一样），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”，编译器在编译期间会将auto替换成变量实际的类型

auto的使用细则

• auto把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声明引用时则必须加&

int a = 10;
auto b=&a;
auto* c=&a;
auto& d=a;

• 在同一行，使用auto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，因为编译器实际上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 i=10,j=20;
auto x=10,y='1';// 该行代码会编译失败，因为x和y的初始化表达式类型不同

auto不能推导类型的场景

• 在函数形参中不能使用

void test(auto a)
{}

• auto不能直接用来声明数组

void test()
{
	auto arr[]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}
}

• auto在实际中最常见的用法就是跟以后C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用。

基于范围的for循环(C++11)

范围for的语法形式

对于一个有范围的集合来说，由程序员自己来说明循环的范围是非常多余的，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：分成两个部分，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

#include 
using namespace std;
void test()
{
    int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    for (auto& e : arr)
    {
        e*=2;
    }
    for (auto e : arr)
    {
        cout << e << " " ;
    }
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

注意：和普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环

范围for的使用条件

• for循环迭代的范围必须是确定的

对于数组而已，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。

以下代码就存在问题，因为for的范围不确定

void test(int arr[])
{
	for(auto&e : array)
	{
		cout<<e<<" ";
	}
}

因为这里形参的数组，已经退化成指针，所有形参中的arr并不能获得数组的范围

• 迭代的对象要实现++和==的操作。（这里牵涉到后期的知识，留给大家思考一下吧哈哈）

指针空值nullptr的出现

相信一个拥有良好编程习惯的同学，一定会在声明一个变量的时候给他初始化，否则可能就会出现使用未初始化的变量的错误，比如未初始化指针等等。在C语言中，如果指针没有一个合法的指向，我们基本都是按照下面的方式对其进行初始化的：

NULL实际上是一个宏，在传统的C头文件（stddef.h）中，可以看到以下代码：

这段代码是对NULL宏的定义，用于在C和C++中表示空指针的常量。

1. 条件编译：

   • #ifndef NULL：如果NULL未定义（即未被之前的代码或头文件定义过）。
   • #ifdef __cplusplus：如果是C++环境。

2. 宏定义：

   • #define NULL 0：在C++环境下，将NULL宏定义为整数0，表示空指针。

3. 备选定义：

   • #else 和 #define NULL ((void *)0)：如果不在C++环境下，则将NULL宏定义为一个空指针，即(void *)0。

这段代码的目的是确保在C和C++中都有一个合适的空指针表示。在C++中，空指针通常表示为整数0，而在C中，可以用(void *)0表示空指针。这种做法是为了保持对旧代码的兼容性，以及确保在不同编译环境下都能正确使用NULL。

在这个宏定义中，可以看到，NULL可能被定义成字面常量0，或者在cpp中被定义为(void*)0。但是不管采取何种定义，在使用空值指针的时候，都不可避免的会遇到一些麻烦

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

程序结果

程序本意是想把f(NULL)调用指针版本的 f(int)。但是由于NULL被定义为字面常量0，所以程序输出恰好相反。
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)0 ,但是编译器默认情况下会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，必须要对其进行强转（void*）0**

注意:建议在中统一使用nullptr代替NULL++

• 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。
• 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
• 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。

总结

C++作为一门现代编程语言，提供了许多方便的语法糖和特性，使得程序员能够更好地应对各种编程场景。引用为我们提供了更直观的数据操作方式，内联函数优化了程序的执行效率，auto关键字简化了变量声明，基于范围的for循环使代码更具可读性，而指针空值nullptr则更安全地表示空指针。通过充分利用这些特性，我们能够在C++中编写出更加优雅和高效的代码，提升编程体验和代码质量。