浅谈引用

 

作者：王姗姗，华清远见嵌入式学院讲师。

引用是C++引入的新语言特性，是Ｃ＋＋常用的一个重要内容之一。在网上查了些资料后，在这我希望能用过一些简单的应用来对引用进行分析。

引用的定义：

引用就是某一变量（目标）的一个别名，对引用的操作与对变量直接操作完全一样。

引用的声明：

类型标示符　＆引用名＝目标变量名

例如：
        int a;
        int &b=a;

在这里定义了b为a的引用，通过这样的引用，a和b表示同一对象。在这要特别的强调的是引用并不产生对象的副本，仅仅是对象的同义词。&不是求址运算，只是一个标识符，表示定义的是一个类型标识符型的一个变量的引用。

引用的规则：
        （1）引用被创建的同时必须被初始化（指针则可以在任何时候被初始化）。
        （2）不能有NULL引用，引用必须与合法的存储单元关联（指针则可以是NULL）。
        （3）一旦引用被初始化，就不能改变引用的关系（指针则可以随时改变所指的对象）。
        （4）声明一个引用，不是定义一个变量，它只表示该引用名是目标变量的一个别名，所以它本身不是一种数据结构，因此引用本身不占存储单元，系统也不给引用分配存储单元。所以对引用求地址，就是对目标变量求地址。
        （5）不能建立数组的引用。因为数组是一个由若干元素组成的集合，所以没有办法建立一个数组的别名。

引用的主要功能：
        （1）传递函数的参数

与C语言不同，C++语言中，函数的参数和返回值的传递方式除了有值传递、指针传递还有引用传递。在Ｃ语言中如果有大块数据作为参数传递的时候，采用的方案往往是指针，因为这样可以避免将整块数据全部压栈，从而提高效率。而在Ｃ＋＋中，它提供了一种提高程序效率的方法，就是引用。

void swap(int *p,int *q)
        {
                int temp;
                temp = *p;
                *p=*q;
                *q=temp;
        }

在C++中我们就可以改善我们的程序，写成：

void swap(int &p,int &q)
        {
                int temp;
                temp = p;
                p=q;
                q=temp;
        }

这个时候我们写主函数的时候就不用再写成swap(&a,&b)直接写成swap(a,b)。

从例子中我们可以看出：

（1）传递引用给函数与传递指针的效果是一样的。这时，被调函数的形参就成为原来主调函数中的实参变量或对象的一个别名来使用，所以在被调函数中对形参变量的操作就是对其相应的目标对象（在主调函数中）的操作。

（2）使用引用传递函数的参数，在内存中并没有产生实参的副本，它是直接对实参操作；而使用一般变量传递函数的参数，当发生函数调用时，需要给形参分配存储单元，形参变量是实参变量的副本；如果传递的是对象，还将调用拷贝构造函数。因此，当参数传递的数据较大时，用引用比用一般变量传递参数的效率和所占空间都好。

（3）使用指针作为函数的参数虽然也能达到与使用引用的效果，但是，在被调函数中同样要给形参分配存储单元，且需要重复使用"*指针变量名"的形式进行运算，这很容易产生错误且程序的阅读性较差；另一方面，在主调函数的调用点处，必须用变量的地址作为实参。而引用更容易使用，更清晰。

如果既要利用引用提高程序的效率，又要保护传递给函数的数据不在函数中被改变，就应使用常引用。

在这就得弄明白c++中引用和指针的区别：

（a）非空区别。在任何情况下都不能使用指向空值的引用。一个引用必须总是指向某些对象。因此如果你使用一个变量并让他指向一个对象，但是该变量在某些时候也可能不指向任何对象，这是你应该把变量声明为指针，因为这样你可以赋予空值给该变量。相反，如果变量肯定指向一个对象，例如你的设计不允许变量为空，这时你就可以把变量声明为引用。不存在指向空值得引用这个事实意味着使用引用的代码效率比使用指针要高。

（b）合法性区别。在使用引用之前不需要测试它的合法性。相反，指针则应该总是被测试，防止其为空。

（c）可修改区别。指针与引用的另一个重要的不同是指针可以被重新赋值以指向另一个不同的对象。但是引用则是总是指向在初始化时被指定的对象，以后不能改变，但是指定的对象其内容可以改变。

（d）应用区别。总的来说，在以下情况下你应该使用指针：一是你考虑到存在不指向任何对象对象的可能（在这种情况下，你能够设置指针为空），二是你需要能够在不同的时刻指向不同的对象（在这种情况下，你能改变指针的指向）。如果总是指向一个对象并且一旦指向一个对象后就不会改变指向，那么你应该使用引用。

（2）返回值。

要以引用返回函数值，则函数定义时要按以下格式：

类型标识符 &函数名（形参列表及类型说明）

{函数体}

看下面这个程序：

定义了一个普通的函数fn1（它用返回值的方法返回函数值），另外一个函数fn2，它以引用的方法返回函数值。

#include <iostream.h>
        float temp; //定义全局变量temp
        float fn1(float r); //声明函数fn1
        float &fn2(float r); //声明函数fn2
        float fn1(float r) //定义函数fn1，它以返回值的方法返回函数值
        {
                  temp=(float)(r*r*3.14);
                  return temp;
        }
        float &fn2(float r) //定义函数fn2，它以引用方式返回函数值
        {
                  temp=(float)(r*r*3.14);
                  return temp;
        }
        void main() //主函数
        {
                  float a=fn1(10.0); //第1种情况，系统生成要返回值的副本（即临时变量）
                  float &b=fn1(10.0); //第2种情况，可能会出错（不同 C++系统有不同规定），不能从被调函数中返回一个临时变量或局部变量的引用
                  float c=fn2(10.0); //第3种情况，系统不生成返回值的副本，可以从被调函数中返回一个全局变量的引用
                  float &d=fn2(10.0); //第4种情况，系统不生成返回值的副本，可以从被调函数中返回一个全局变量的引用
                  cout<<a<<c<<d;
        }

引用作为返回值，必须遵守以下规则：

（1）不能返回局部变量的引用。

例如：float &b=fn1(10.0); 主要原因是局部变量会在函数返回后被销毁，因此被返回的引用就成为了"无所指"的引用，程序会进入未知状态。

（2）不能返回函数内部new分配的内存的引用。虽然不存在局部变量的被动销毁问题，可对于这种情况（返回函数内部new分配内存的引用），又面临其它尴尬局面。例如，被函数返回的引用只是作为一个临时变量出现，而没有被赋予一个实际的变量，那么这个引用所指向的空间（由new分配）就无法释放，造成memory leak。

（3）可以返回类成员的引用，但最好是const。主要原因是当对象的属性是与某种业务规则（business rule）相关联的时候，其赋值常常与某些其它属性或者对象的状态有关，因此有必要将赋值操作封装在一个业务规则当中。如果其它对象可以获得该属性的非常量引用（或指针），那么对该属性的单纯赋值就会破坏业务规则的完整性。

（4）引用与一些操作符的重载：

流操作符<<和>>，这两个操作符常常希望被连续使用，例如：cout << "hello" << endl; 因此这两个操作符的返回值应该是一个仍然支持这两个操作符的流引用。可选的其它方案包括：返回一个流对象和返回一个流对象指针。但是对于返回一个流对象，程序必须重新（拷贝）构造一个新的流对象，也就是说，连续的两个<<操作符实际上是针对不同对象的！这无法让人接受。对于返回一个流指针则不能连续使用<<操作符。因此，返回一个流对象引用是惟一选择。这个唯一选择很关键，它说明了引用的重要性以及无可替代性，也许这就是C++语言中引入引用这个概念的原因吧。 赋值操作符=。这个操作符象流操作符一样，是可以连续使用的，例如：x = j = 10;或者(x=10)=100;赋值操作符的返回值必须是一个左值，以便可以被继续赋值。因此引用成了这个操作符的惟一返回值选择。

（5）在另外的一些操作符中，却千万不能返回引用：+-*/ 四则运算符。主要原因是这四个操作符没有side effect，因此，它们必须构造一个对象作为返回值，可选的方案包括：返回一个对象、返回一个局部变量的引用，返回一个new分配的对象的引用、返回一个静态对象引用。根据前面提到的引用作为返回值的三个规则，第2、3两个方案都被否决了。静态对象的引用又因为((a+b) == (c+d))会永远为true而导致错误。所以可选的只剩下返回一个对象了。

\引用的总结

（1）在引用的使用中，单纯给某个变量取个别名是毫无意义的，引用的目的主要用于在函数参数传递中，解决大块数据或对象的传递效率和空间不如意的问题。

（2）用引用传递函数的参数，能保证参数传递中不产生副本，提高传递的效率，且通过const的使用，保证了引用传递的安全性。

（3）引用与指针的区别是，指针通过某个指针变量指向一个对象后，对它所指向的变量间接操作。程序中使用指针，程序的可读性差；而引用本身就是目标变量的别名，对引用的操作就是对目标变量的操作。

（4）使用引用的时机。流操作符<<和>>、赋值操作符=的返回值、拷贝构造函数的参数、赋值操作符=的参数、其它情况都推荐使用引用。