《C++详解》（二）初入C++最重要的知识点：引用 操作符

目录

零，前言

一，引用的概念

二，引用的作用

 1，引用做返回值

 2，引用做参数

​三，const常引用

四，引用的原理

五，引用与指针的区别

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零，前言

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    在大学课程C++或者数据结构课本上很多同学发现， 在函数的传址传参中加了一个“ & ”的标志 ：

  没有深入了解C++之前，很多同学会有点懵，那么接下来我就用这篇文章来介绍引用操作符的所有知识。

一，引用的概念

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     C++中的引用不是新的变量，而是给一个变量取一个别名，编译器中不会为引用这个变量创建一个新的空间，它和它引用的变量共同使用同一个内存空间。引用 符号为"&"。引用类似于指针，但是不能替代指针的所有功能。

数据类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

引用有以下几个特性。

1）引用在定义时必须初始化。

2）一个变量可以有多个引用，也就是说一个变量可以有多个别名。

3）一个引用一旦引用了某个变量，就不能再引用其他变量。

例如：

int main()
{   
    int a = 10;
    int& ra = a;  //必须初始化，例如int& ra;是不允许的。
    int& rra = a; //可以有多个引用。



return 0;
}

引用的作用如图所示：

如图可知，引用的值和a的值均相同，并且引用的地址和a的地址均一致。

那么既然a，ra和rra，引用还有什么意义呢？引用在实际操作的价值是什么呢？

二，引用的作用

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 1，引用做返回值

  首先说结论：传引用返回与传值返回相比能减少拷贝，提高函数调用效率。我们首先来看一个例子：

   我们可以很显然的看到，传引用返回在调用十万次的情况下，比传值返回所要消耗的时间少100倍，在大工程中 调用次数比十万次还要大，这大大提高了程序运行的效率。

但是使用引用返回存在限制，具体是两点：

如果出了函数作用域，变量还存在，就能使用引用返回。

如果出了作用域函数不存在了，就不能使用引用返回。

至于原因我将会在下面进行解释。

 2，引用做参数

    引用作参数时，可以减少拷贝，提高函数效率

如上面引用作返回值所示，引用做参数时同样可以提高效率。我们可以通过比较两者运行时间来判断，那么请读者自行验证。

引用可以作为输出型形参，对形参进行更改，与指针的功能类似例如：

作为输出型参数时，在C++中指针可以被引用替代。在函数实现的时候不需要解引用，并且传参

时也不需要加多余的符号，会更加简便。例如：

三，const常引用

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当我们使用const来定义一个变量时，再引用该变量时，程序会出错

 

 其原因涉及到权限的放大和缩小。

    我们在定义一个变量的同时也就赋予了这个变量权限。我们不加任何修饰地定义a变量时，a变量是可读可写的也就是说可以更改，可以输出。

    当我们用const定义变量a时，a就变成只能输出，不能对其进行修改。这就是权限的缩小。如果我们使用int& ra引用了该变量，这就导致ra可读可写，但是a变量本身可读不可写，这就导致了权限的放大，程序出错。

    我们只需要在引用前面加上const，使两者权限相同，程序不会报错。

在C++程序中，权限只能缩小，平移而不能放大。

#include 
using namespace std;

int main() {
	int a = 0;
	
	int& ra = a;//权限平移
	const int& rra = a;//rra引用a，权限缩小 

	//b定义为只读变量
	const int b = 10;
   a = b//是一种拷贝，a不影响b，不会出错
	
    //int& rb = b;//权限放大，程序出错
	const int& rrb = b;//权限平移 
	return 0;
}

如果我们在设计函数时使用引用作为参数又会发生什么错误呢？

对于上面代码中a,ra,b,rb变量时我们使用传值传参（不加引用）不会发生错误，因为传值传参是对于参数的拷贝，拷贝不会涉及到变量本身。

如果一旦在传参中加了引用，会影响到变量本身的值，会涉及到权限放大缩小，例如上面代码中 ：将rra传入某个函数时，一旦在该函数内进行rra的修改，程序就会报错，因为rra是可读不可写的，因此通常在传值传参使使用const常引用作为函数参数.。如下图所示

int a = 3;int& ra = a;
void fun( const int& ra)

如果函数只为了修改参数，我们最好不使用const引用传参。

const引用做参数时也可以传常量。

四，引用的原理

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看了这么多，我相信小伙伴们肯定会疑惑为什么使用引用能够提高函数调用效率 ,在这里我将讲解一下引用的底层实现。

引用作返回值时发生了什么呢？与传值返回的区别是什么？   

 当我们在执行该程序时，进入main函数首先会创建一个main函数的栈帧，然后在main函数中定义了ret变量。随后我们调用count函数，在main函数的栈帧中创建了一个count函数栈帧。

在count函数中，定义了一个变量n，n存于count函数的栈区。

我们都知道，每个函数在函数调用结束后都会被销毁。由于n存在于栈区，因此在count函数结束count被销毁，n的地址也随之被销毁，导致于函数无法找到n作为返回值。因此操作系统为了解决这个难题，它将n拷贝到一个临时空间中，此空间存于寄存器，寄存器不会随函数销毁而销毁。然后在函数调用结束后操作系统找到了该寄存器内的空间，并将其中的n赋值给ret变量。

我们会发现，如果使用传值返回，我们多了一层将局部变量拷贝到寄存器中空间的操作。

如果我们把它改成引用返回又会发生什么呢？

 我们如果使用引用返回，那么我们返回的值是n的别名，相当于返回了n本身。由于n存在于栈帧中，而count函数结束，n空间也就被销毁，找不到n了。由于引用返回是要返回n本身，所以程序会出错。

什么时候不会出错？什么时候才能使用引用返回？

只有当count函数内的参数不存在于count函数这个栈帧中。也就是说，你返回的参数不是在这个函数内部定义的，函数结束后，参数不会随函数结束而销毁。就可以使用引用返回。

引用返回为什么能提高调用效率？

我们从上面知道了，由于传值返回有一个拷贝到寄存器的操作。而引用返回，返回的是变量的别名，也就是它本身，而不需要拷贝这个操作，所以能够提升效率。

五，引用与指针的区别

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引用在语法上就是一个别名，而没有独立空间，和引用实体公用一块空间。而在底层实现上引用存在空间，因为引用就是通过指针来实现的。

引用与指针区别

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