【C++】引用与内联

个人主页 ： zxctsclrjjjcph
文章封面来自：艺术家–贤海林
如有转载请先通知

1. 前言

在前面的 【C++】C++入门（一）和【C++】C++入门(二)中已经分享了关于C++的一些基础知识，这次分享的是与引用有关的一些笔记。

2. 引用

2.1 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。

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；

#include
#include
using namespace std;

int main()
{
	int a = 0;

	// 引用，b就是a的别名
	int& b = a;

	cout << &b << endl;
	cout << &a<< endl;
	return 0;
}

b就是a的别名，他们地址是相同的。

在a变化的同时b也变化。

也可以给别名取别名。

在d变化的时候，a、b、c也一起变化。

2.2 引用使用场景

1. 做参数
   对象比较大，减少拷贝，提高效率
   在之前c语言代码写交换函数的时候，需要用到指针。

void Swap(int* a, int *b)
{
	int* tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

void Swap(int& a, int &b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

int main()
{
	int x = 0, y = 1;
	Swap(&x, &y);
	Swap(x, y);

	return 0;
}

需要开空间

而使用引用，而这里直接是给x,y取了一个别名。

2. 做返回值

int func()
{
	int a = 0;
	return a;
}

int main()
{
	int ret = func();
	cout << ret << endl;

	return 0;
}

如果用a做返回值，那么是不确定的。

销毁栈帧，vs不清理空间，会给一个临时变量，如果临时变量比较小，通常使用寄存器充当。

int& func()
{
	int a = 0;
	return a;
}

int main()
{
	int ret = func();
	cout << ret << endl;

	return 0;
}

这里ret的结果是不确定的，是随机值，不同的平台可能不一样。

int& func()
{
	int a = 0;
	return a;
}
int& fx()
{
	int b = 1;
	return b;
}

int main()
{
	int& ret = func();
	cout << ret << endl;

	fx();
	cout << ret << endl;

	return 0;

空间的复用。不能返回临时变量或者是局部变量的引用。

int& Add(int a, int b)
{
	int c = a + b;
	return c;
}
int main()
{
	int& ret = Add(1, 2);
	Add(3, 4);
	cout << "Add(1, 2) is :" << ret << 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。

2.3 引用特性

1. 引用在定义时必须初始化

int main()
{
	int a = 0;

	// 1、引用必须初始化
	int& b;
	 b = c;
	return 0;
}

像这样的引用就是错误的。

2. 引用定义后，不能改变指向

int main()
{
	int a = 0;

	// 2、引用定义后，不能改变指向
	int& b = a;
	int c = 2;
	b = c;  // 不是改变指向，而是赋值
	return 0;
}

3. 一个变量可以有多个引用，多个别名
   

2.4 引用和指针的区别

1. 指针和引用的功能是类似的，有重叠的
2. C++的引用，对指针使用比较复杂的场景进行一些替换，让代码更简单易懂，但是不能完全替代指针
3. 引用不能完全替代指针原因：引用定义后，不能改变指向
   就像在链表中删除一个节点
   
   
   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;
}

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
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

2.5 传值、传引用效率比较

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。

#include 
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;
}

2.5.1 值和引用的作为返回值类型的性能比较

#include 
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;
}

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。

3. 内联函数

3.1 内联函数概念

以inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

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，以下给出vs2022的设置方式)
   
   
   

3.2 特性

1. inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，缺陷：可能会使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
2. inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建
   议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。下图为
   《C++prime》第五版关于inline的建议：
   
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，就没有函数地址了，链接就会找不到。
   像下面这样

// F.h
#include 
using namespace std;
inline void f(int i);
// F.cpp
#include "F.h"
void f(int i)
{
	cout << i << endl;
}
// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{
	f(10);
	return 0;
}

出现的就是
链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 “void __cdecl
f(int)” (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用

有问题请指出，大家一起进步！！！