C++ -- 入门（引用&&)

1.引用

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1.1引用的概念

        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。
比如：李逵，在家称为"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；
此时a和ra是同一块空间的名字，a就是ra，ra就是a。

void TestRef()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;//<====定义引用类型
	cout << &a << endl;
	cout << &ra << endl;
}

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的
 

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1.2引用的特性 

 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. 引用定义后，不能改变指向

void TestRef1()
{
	int a = 10;
	// int& ra; // 该条语句编译时会出错
	int& ra = a;
	int& rra = a;
	//  引用定义后，不能改变指向
    int& b = a
    int c = 2;
    b = c;//编译出错，引用定义后，不能改变指向
	cout << &a << endl;
	cout << &ra << endl;
	cout << &rra << endl;
}

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1.3常引用

void TestConstRef()
{
	const int a = 10;
	//int& ra = a; // 该语句编译时会出错，a为常量
	const int& ra = a;
	// int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
	const int& b = 10;
	double d = 12.34;
	//int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
	const int& rd = d;
}

所以，被引用的量只能是变量，且要和被引用的变量类型一致。

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 1.4 使用场景

1.做参数

        我们在学习C语言的时候要交换两个数的值，我们是要穿地址的，要用指针接收，但现在使用引用的方式就不需要了。

指针：

void swap(int* a, int* b)
{
	int c = *a;
	*a = *b;
	*b = c;
}
int main()
{
	int x = 1, y = 2;
	swap(&x, &y);
}

引用：

void swap(int& a, int& b)
{
	int c = a;
	a = b;
	b = c;
}
int main()
{
	int x = 1, y = 2;
	swap(x, y);
}

a是x的别名，b是y的别名。a和b交换就是x和y交换。 

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2. 做返回值
下面代码输出什么结果？为什么？

int& Add(int a, int b)
{
	int c = a + b;
	return c;
}
int main()
{
	int& ret = Add(1, 2);
	
	cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
	return 0;
}

Add此时是c的别名，ret也是c的别名，但c的结果不应该是3吗，怎么是这种结果呢？

        像这种情况就是，函数出来作用域了，对应的栈空间已经被收回了，此时c变量就没有意义了，返回的也是随机值了。（详解图）

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在(还没还给系统)，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。
（传值返回，返回是变量的拷贝，引用返回，是返回值的别名）

可以使用引用返回的场景（静态变量/全局变量/堆上的变量等）：

int &Add(int a, int b)
{
	static int c = a + b;
	return c;
}
int main()
{
	int ret = Add(1, 2);
	
	cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
	return 0;
}

        像这样，静态变量（不在函数栈帧中）出作用域是不销毁的，此时就可以使用引用返回。

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1.5传值、传引用效率比较

以值作为参数或者返回值类型
 传值10000次，指针和引用的效率比较

struct A { int a[10000]; };
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 < 10000; ++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 < 10000; ++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();
}

        我们可以明显的看到，在此次场景下，引用的效率是要高于指针的。

        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。

值和引用的作为返回值类型的性能比较

struct A { int a[10000]; };
A a;
// 值返回
A TestFunc1() { return a; }
// 引用返回
A& TestFunc2() { return a; }
void TestReturnByRefOrValue()
{
	// 以值作为函数的返回值类型
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc1();
	size_t end1 = clock();
	// 以引用作为函数的返回值类型
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc2();
	size_t end2 = clock();
	// 计算两个函数运算完成之后的时间
	cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}
int main()
{
	TestReturnByRefOrValue();
}

        

        通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

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1.6引用和指针的区别

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。

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

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。

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	ra = 20;
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	return 0;
}

我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

        底层都是开空间的，引用的底层是用指针实现的，只是语法上不需要开空间，所以我们在日常中所说的引用都是不开空间的。

 引用和指针的不同点:
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（引用不能改变指向，指针可以，这是引用不能代替指针的根本原因。）
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（因为没有空引用，但有空指针，容易出现野指针，但不容易出现野引用。因为引用必须初始化。）

10.从底层看，没有引用，都是指针，引用编译后叶转换成指针了。