[C++] 引用，内联函数，auto关键字，基于范围的for循环，指针空值nullptr

1. 引用

1.1 序言

在学习C语言阶段，我们学习了如何写一个函数来实现两个数的交换，接下来我们将一步步实现这个交换函数

当我们初次接触C语言时，实现一个交换函数我们可能会写出如下代码：

void swap(int a, int b)
{
	int tem = a;
	a = b;
	b = tem;
}

显然这个函数是不能实现真正的交换，因为调用函数swap时会给形参a,b分别开辟两个空间用来存放传递过来的两个数的值，，再借助临时空间tem将a,b两个空间里的值进行交换，当函数执行完成后，函数的栈帧会被销毁，里面传递的值也会被销毁，因此，不会实参有任何影响

当我们对如上代码进行改进会有如下代码：

void swap(int* a, int* b)
{
	int* tem = a;
	a = b;
	b = tem;
}

显然这个函数也不能实现两个数的交换，虽然它是将两个数的地址传给了函数，但是，函数内部只是进行了地址的交换

最后我们给出通过正确的传址实现swap函数

void swap(int* a, int* b)
{
	int tem = *a;
	*a = *b;
	*b = tem;
}

C语言中交换两个数要传地址，比较麻烦，而C++中实现以上函数代码如下：

#include
using namespace std;
void swap(int &a, int &b)
{
	int tem = a;
	a = b;
	b = tem;
}
int main()
{
	int m = 10;
	int n = 20;
	cout << "m = " << m<<" ：" << "n = " << n << endl;
	swap(m, n);
	cout << "m = " << m << " ：" << "n = " << n << endl;
	return 0;
}

而形参中的"&"符号，为引用

1.2 引用的基本概念

引用：不是新定义一个变量，而是给已存在的变量取一个别名，编译器不会给引用变量开辟内存空间，它和它引用的变量共用一块内存空间
 
使用：类型 &引用变量名(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

eg：李逵，在家称为“铁牛”，江湖上人称“黑旋风”

此代码中变量m相当于李逵，&n相当于给李逵取了个外号叫铁牛

1.3 引用的特征

• 引用在定义时必须初始化
   
• 一个变量可以有多个引用
   
• 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

1.4 常引用

常引用声明方式：const 类型 &引用名 = 目标变量名；
 
用这种方式声明的引用，不能通过引用对目标变量的值进行修改，从而使引用的目标称为const，达到了引用的安全性

	const int a = 10;
    const int &b = a;

	int c = 20;
	const int &d = c;

1.5 引用的场景

引用有哪些呢？

	//变量的引用
	int a = 10;
	int &b = a;
	//指针的引用
	int* ptr = &a;
	int* &p = ptr;
	//数组的引用
	int arr[6] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
	int(&ar)[6] = arr;

引用的场景

• 做参数
   
• 做返回值

注意：如果函数返回时，出了作用域，或返回对象还未还给系统，则可以使用引用返回，如果已经还给了系统，则必须使用传值返回(引用做返回值时，如果返回值在函数结束后释放，就不能使用引用返回)

接下来我们来分析一下这句话的意思：

1.6 传值和传引用效率对比

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，而是传递实参或返回变量的一份临时拷贝，因此用值作为参数或返回值类型，效率非常低下，尤其是当参数或返回值类型非常大时，效率就更低

测试如下：

#include
using namespace std;
#include 
struct A{ int a[100000]; };
void TestFunc1(A a){}
void TestFunc2(A& a){}
void TestRefAndValue()
{
	A a;
	// 以值作为函数参数
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc1(a);
	size_t end1 = clock();
	// 以引用作为函数参数
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc2(a);
	size_t end2 = clock();
	// 分别计算两个函数运行结束后的时间
	cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}
int main()
{
	TestRefAndValue();
	return 0;
}

1.7 引用和指针的区别

• 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(32位平台下占4个字节)
• 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
• 有多级指针，但没有多级引用
• 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
• 指针要开辟空间，引用不用开辟空间
• 指针是间接操作对象，引用是对象的别名，对别名的操作就是对真实对象的直接操作

2. 内联函数

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，内联函数提升程序运行的效率

举例如下：
不能作为内联函数的情况：

• 代码太复杂的函数
   
• 有循环的函数
   
• 有递归的函数

内联函数的特性：

• inline是一种以空间换时间的做法，省去调用函数额外开销，所以代码长的或者有循环、递归的函数不适宜使用作为内联函数
   
• inline对于编译器而言只是一个建议，编译器会自动优化，如果定义为inline的函数体内有循环/递归等，编译器优化时会忽略掉内联
   
• 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

3. auto关键字(C++11)

在C++11中：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定义变量的时候必须对其初始化，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。

打印变量a的类型：typeid(a).name()

auto的使用：

• 定义一个与a类型相同的变量

#include
using namespace std;

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

• auto与指针和引用结合起来使用

#include
using namespace std;

int main()
{
	int a = 10;
	auto b = &a;  //int*
	cout << typeid(b).name() << endl;
	auto* c = &a;  //int   //对c永远是整形指针int*
	cout << typeid(c).name() << endl;
	auto &d = a;  //int
	cout << typeid(d).name() << endl;
	return 0;
}

• auto在同一行定义多个变量，这些变量必须是相同类型

正确示例：

#include
using namespace std;

int main()
{
	auto a = 10,b = 20,c = 30;
	return 0;
}

错误示例：

auto不能推导的场景：

• auto不能作为函数的参数
• auto不能直接用来声明数组
• auto不能推导空变量
• 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以后会讲到的C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等
  进行配合使用。

4 . 基于范围的for循环(C++11)

我们之前想要遍历一个数组会用以下方法：

	int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
	for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); ++i)
	{
		cout << arr[i] << " " ;
	}
	cout << 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，有时候还会犯错。因此在C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后面的括号由冒号" : "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。

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

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)
• 迭代的对象要实现++和==的操作

5. 指针空值nullptr(C++11)

在我们学习C语言的时候，我们学习了NULL，而NULL是一个宏，它的本质是0；

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。

注意：

• 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。