C++——引用详解

引用

6.1 引用的概念

那C++的引用又是什么东西呢？

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，一个变量若存在引用，则它和它引用的变量共用同一块内存空间。

比如：武松，别名有武二郎，天伤星，行者等。

那如何定义一个变量的引用呢？

语法：类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

举个栗子：

int main()
{
    int a = 5;
    int& b = a;
    return 0;
}

这里b就是a的一个引用。
b就相当于a的一个别名，它们共用同一块内存空间。

a和b的关系就好比武二郎和行者，都是指的武松。

我们可以验证一下：

a和b的地址是一样的。

那我们可不可以给a再取一个别名：

当然可以，就像武松他可以有好几个绰号。

那c是a的一个引用（别名），那我们可不可以给c定义一个引用？

也是可以的。

就相当于我们给同一块空间起了很多个名字。

注意：

引用类型必须和引用实体是同种类型的

整形变量的引用是int&
字符变量的引用是char&
整形指针变量的引用就是int*&

6.2 引用的特性

1. 引用在定义时必须初始化
2. 
3. 我们定义一个引用，必须对它进行初始化。
4. 
5. 一个变量可以有多个引用

这个我们在上面就提到了嘛，就好比一个人可以有很多别名。

b、c、d都是a的引用。

1. 引用一旦引用一个实体之后，就不能再引用其他实体

什么意思呢？举个栗子：

现在b、c都是a的引用，当然的地址都是一样的：

那我们现在做这样一个事情：

我们新定义一个变量x，把x赋给c(c是a的引用)，那现在c会变成x的引用嘛？

不会的，我们上面说了，一个引用在引用一个实体之后，就不能再引用其他实体了，就可以理解为行者已经是武松的绰号了，就不能再成为别人的绰号了。

我们看到b、c地址并没有改变，还是a的引用。

那c = x;起到的效果是啥呢？

c是a的引用，可以理解为c就是a，那c = x;就是把c的值10赋给了a，所以我们现在打印a：

a就是10了。

当然b、c就也是10 了。

6.3 常引用

一起来看：

    int a = 1;
    int& b = a;

定义一个整型变量a，然后给a取了一个别名b，这没问题吧。

然后再看：

    const int x = 5;
    int& y = x;

这样可以吗？

🆗，不行。

为什么呢？

对于引用，还有指针来说，对它们进行赋值和初始化时，权限可以缩小，但不能放大。

什么意思呢？

这里的x是被const修饰的，一个变量被const修饰后就具有了常属性，就不能再被改变了，这也是我们之前C语言的知识了。

但是现在我们想要给它起一个别名（引用）y，而y是没有被const修饰的，也就是说y是可以被改变的，但是它引用的实体却是不可变的。

这是不是相当于给它的权限放大了，所以这样不行。

那我们说指针也具有这样的特性，我们也举个栗子：

const修饰*p1，即p1指向的内容不能被修改，但p2是可以被修改的，所以想把p1赋给p2就是不行的。

这两个就是典型的放大权限的例子

那我们怎么才能够成功赋值呢？

是不是让他们的权限一样大就行了：

这样就可以了

那这种可不可以

可以嘛，权限缩小是可以的。

再来看这个对不对：

int Count()
{
    int n = 0;
    n++;
    return n;
}
int main()
{
    int& ret = Count();
    return 0;
}

不行，因为这里返回的（ret接收的）是一个临时变量，临时变量具有常属性（不能被修改），所以这里也相当于放大权限了。

至于这里为什么返回的是临时变量，如果大家不明白，先不急，下面使用场景的第二个（做返回值）会对Count函数如何返回进行分析。

那这里也是加一个const就好了：

🆗，我们再来看一个场景：

这个行不行？

首先答案肯定是不行。

拿为什么呢？

大家可能会想，这类型都不一样，肯定不行了。

我刚开始也是这么想的，但是：

欸，为什么啊？

为什么加一个const就可以了呢？x就可以成为i的引用（别名）了吗？

那原因在于：

大家要知道，类型转换是会产生临时变量的，不管是强制类型转换，还是隐式类型转换，都是会产生临时变量的。

举个例子：

这里是直接把x转换成浮点型赋给y 了吗？

🆗，不是的，这里会产生一个临时变量，临时变量的值就是x转换成double类型的值，然后把这个临时变量赋值给y。

那我们回过头来看这个程序：

应该是怎么样的：是会产生一个临时变量接收i转换为double类型的值，所以x其实是这个double类型的临时变量的引用，但是报错了，因为临时变量具有常性，所以我们加了一个const之后就好了。

6.4 使用场景

那引用的使用场景有哪些呢？我们一起来看一看：

1. 做参数（传参）

我们先来回忆一个问题：C语言中要想交换两个整型变量，我们是怎么做的？

🆗，我们知道形参是实参的一份临时拷贝，形参的改变不影响实参，所以呢？

我们要传变量的地址过去：

那现在C++引入了引用之后，我们是不是就不用这么麻烦，再传地址过去了啊：

借助引用是不是也能轻松搞定啊：

void Swap(int& px, int& py) {
    int tmp = px;
    px = py;
    py = tmp;
}

int main()
{
    int num1 = 1;
    int num2 = 2;

    Swap(num1, num2);

    cout << num1 << " " << num2 << endl;
    return 0;
}

我们用两个变量的引用进行交换，是不是就行了啊：

2. 做返回值

那在讲引用做返回值之前，我们首先要做一些铺垫：

我们先来看这样一个程序：

int Count()
{
    int n = 0;
    n++;
    return n;
}
int main()
{
    int ret = Count();
    return 0;
}

一个很简单的程序，main函数调用Count函数，返回值n赋给了变量ret。

那问大家一个问题：在这个过程中，Count函数返回的n是直接就赋给了ret吗？

🆗，不是的，不能够这样做。

为什么呢？

因为n是不是Count函数中创建的一个局部变量啊，它是存在Count函数的栈帧里的，当函数调用结束，n是不是随着Count函数的栈帧一起被销毁了。当然这里的销毁不是说这块空间不存在了，是归还给操作系统了，但是我们就没有这块空间的使用权了。

所以，函数调用结束我们还能把n这块空间的值赋给ret吗，是不是不行啊。

那这个过程是如何将这个返回值安全的给到ret呢？

那如果大家了解过函数栈帧的创建和销毁就应该知道，这个地方在销毁之前，会产生一个临时变量，来保存要返回的n的值（当要返回的数据比较小的时候，这个临时变量通常是一个寄存器，比较大的时候就不一定是寄存器了）。

然后就算调用结束，n被销毁了，我们也保留了返回值可以赋给main函数的ret。

理解了上一个程序，我们再来看一个：

int Count()
{
    static int n = 0;
    n++;
    return n;
}
int main()
{
    int ret = Count();
    return 0;
}

与上面的程序相比，唯一的区别就是这次Count函数里的变量n是被static修饰的。

如果大家不太了解或者忘记了static关键字的作用，可以复习一下链接: link

局部变量被static修饰后，将存储在静态区，出作用域后将不会被销毁，而是保留在静态区，生命周期改变（本质上改变了存储类型），这时它的生命周期就是程序的声明周期。

也就是说，这次变量n就不再是保存在函数Count的栈帧里了，而是在静态区，即使函数调用结束栈帧销毁，变量n也依然存在。

哦豁，那这样的话，是不是就可以直接用n去返回了呀。

但实际不是的，编译器在这里是傻瓜式的处理，他不管函数栈帧销毁后n是否存在，所做的处理都是一样的，都是利用一个临时变量去返回。

那既然编译器没有对第二种场景进行优化，那这个权力是不是就给到了我们自己手里啊？

我们能不能想个办法进行一个好的处理呢？

因为既然这个地方函数栈帧销毁后n还在静态区存在，那是不是没必要再去借助寄存器来返回啊？

那我们可以怎么做呢？

🆗，很简单，只需把返回值类型改成n的引用就行了：

那这时返回n的引用，我们说引用和它引用的实体是不是占用同一块空间啊，相当于返回的是n的一个别名，那其实可以认为我们就直接返回n了，就像武二郎和行者都是武松。

那我们再来看一个程序：

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;
    cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;

    return 0;
}

大家分析一下，思考一下结果是啥？

为什么是这样的结果？

首先不管结果是啥，大家要能够看出来这段代码是有问题的。

什么问题呢？

函数Add中的c是局部变量，是创建在函数栈帧上的，函数调用结束就随着函数栈帧销毁了（这块空间归还给操作系统了），但是，我们最后返回了变量c的引用（别名），而且main函数也用了一个引用来接收，相当于给c的别名（引用）有起了一个别名，即ret也是c的一个引用，那也可以认为ret就是c。

那然后我们去打印ret，就相当于去拿c这块空间的值了，但是这块空间已经归还给操作系统了，已经不属于我们了，此时我们再去访问其实已经是非法的行为了。

但是我们看到也打印出来3 了，这是因为这块空间归还之后，操作系统有可能还没有去清理这块空间，所以我们再去拿还是拿到了原来算出来的3，那如果操作系统进行了一些处理，我们拿到什么可能就不知道了，可能就是随机值了。

就像我们后面又调用了一次，然后打印是7，后面又打印就是一个随机值了。

所以想告诉大家的是：

这里的结果打印出来是几并不重要，可能在不同的编译器上，不同的平台上，就有所差异。

这个结果是未定义的，因为这本身就是一种错误的，非法的行为。

重点是大家要明白这个程序是错误的，这种情况是不能返回引用的。

所以最后总结一下：

如果函数返回时，出了函数作用域，返回对象还在(还没还给系统)，则可以使用引用返回（比如：静态的、全局的、malloc的等等），如果已经还给系统了，则必须使用传值返回，若还返回引用，则结果是未定义的。

6.5 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，与传引用相比，效率是比较低的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。

接下来我们就通过两个程序来对比一下：

1. 值和引用的作为参数的性能比较

首先对比一下以值作为函数参数和以引用作为函数参数效率的对比：、

#include <time.h>
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;
}

程序有些地方大家不懂不用管，我们只是对比一下它们的效率。

2. 值和引用的作为返回值类型的性能比较

#include <time.h>
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;
}

6.6 引用和指针的区别

下面我们来看一下引用和指针的区别：

首先从语法概念上来说：

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；

而指针是占用空间的，32位平台上4个字节，64位平台上8个字节，是用来存放地址的。

但是呢？

在实际的底层实现上，引用也是有空间的，因为引用其实就是利用指针来实现的。

看这样一段代码：

int main()
{
    int a = 10;

    //引用
    int& ra = a;
    ra = 20;

    //指针
    int* pa = &a;
    *pa = 20;
    return 0;
}

我们通过调试来看一下它们的汇编代码：

可以看到，它们产生的汇编代码都是一样的。

总结一下，指针和引用的区别：

概念上：引用是定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。

引用在定义时必须初始化，指针没有要求（当然最好进行初始化）

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，64位8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，但是没有多级引用

访问实体方式不同，指针需要显式解引用，引用则是编译器自己处理

引用比指针使用起来相对更安全