【C++】入门②

原创 于 2024-10-20 22:34:16 发布 · 704 阅读 · 8 ·
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#c++ #数据结构 #算法

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6. 引用

6.1 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。

简单来说就是给定义的变量取一个新名字，且不开辟新空间，地址也不改变。

形象一点来说，比如： 李逵，在家称为"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"，有三个名字，但都是同一个人。

用法: 类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；
例如:

void TestRef()
{
    int a = 10;
    int& ra = a;//<====定义引用类型
    printf("%p\n", &a);
    printf("%p\n", &ra);
}

打印结果都是10。

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

6.2 引用特性

  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. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体。
  4. 对变量值的改变，该变量的引用也跟着改变，反之，也成立。

例如:

int main()
{
	int a = 10;
	 // int& b; // 该条语句编译时会出错
	int& b = a;
	int& c = a;  //等价于 int& c = b;
	int& d = c;

	a = 20;
	cout << "c = " << c << endl;

	d = 30;
	cout << "a = " << a << endl;

	return 0;
}

运行结果为：
c = 20
a = 30

6.3 常引用

常引用，即为常量引用，在常量的引用的类型前加上const。

直接看例子:

int main()
{

	const int a = 10;
	//int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量
	const int& ra = a;
	cout << "a = " << a << endl;

	// int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
	const int& b = 10;
	cout << "b = " << b << endl;

	double d = 12.34;
	//int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
	const int& rd = d;
	cout << "rd = " << rd << endl;
	
	return 0;
}

打印结果为:
a = 10
b = 10
rd = 12

6.4 使用场景

6.4.1 做参数
引用做函数参数时，有时会比指针做参数更方便好用。
例如:

void Swap(int& left, int& right)
{
	int temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	cout << "交换前："<< endl;
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;

	Swap(a, b);
	cout << "交换后：" << endl;
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	return 0;
}

打印结果:
在这里插入图片描述

6.4.2 做返回值

int& Count(int x)
{
	//static int n = x;  // x变量在静态区
	int n = x;       
	n++;
	// ...
	return n;
}

int main()
{
	int& ret = Count(10);
	cout << ret << endl; // 结果：11或随机值

	Count(20);
	cout << ret << endl; // 结果：21或随机值

	return 0;
}

当ret的类型为int时，打印ret的值是不确定的。
若Count函数结束，栈帧销毁，没有清理栈帧，则ret的结果侥幸是正确的。
若Count函数结束，栈帧销毁，清理栈帧，则ret的结果是随机值。

当ret的类型为static int时，打印ret的结果是正确的，因为此时的ret变量在静态区，Count函数栈帧销毁后，有没有清理都不影响ret的值。

总结:

  1. 基本任何场景都可以用引用传参。
  2. 要谨慎用引用做返回值，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。

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，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。

以下代码可用来测试效率：

值和引用的作为函数参数的性能比较

#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;
}

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;
}

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。

6.6 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：

在这里插入图片描述
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

7. 内联函数

7.1 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。

没有被inline修饰的函数，在被调用时会建立栈帧，程序运行效率就没这么高。
如图：

在这里插入图片描述
上图所示，Add函数没有被inline修饰，所以在调用Add函数时，编译器会进行call的操作，即栈帧的建立。

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。如下图：

在这里插入图片描述

7.2 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：
    在这里插入图片描述
  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。
// F.h 
#include <iostream>
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;
}

上述代码表示inline修饰的函数声明和定义分离了。
运行代码会显示：

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

8. auto关键字

8.1 类型别名思考

随着程序越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，经常体现在：
1. 类型难于拼写
2. 含义不明确导致容易出错

如以下代码：

#include <string>
#include <map>
int main()
{
	 std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange", 
	"橙子" }, {"pear","梨"} };
	 std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();
	 while (it != m.end())
	 {
	 //....
	 }
 return 0;
}

std::map<std::string, std::string>::iterator 是一个类型，但是该类型太长了，特别容易写错。聪明的同学可能已经想到：可以通过typedef给类型取别名，比如：

#include <string>
#include <map>
typedef std::map<std::string, std::string> Map;
int main()
{
	 Map m{ { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} };
	 Map::iterator it = m.begin();
	 while (it != m.end())
	 {
		 //....
	 }
	 return 0;
}

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef有会遇到新的难题：

typedef char* pstring;
int main()
{
	 const pstring p1;    // 编译成功还是失败？ 编译失败
	 const pstring* p2;   // 编译成功还是失败？ 编译失败
	 return 0;
}

在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的类型。然而有时候要做到这点并非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义。

8.2 auto简介

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量。

C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

auto的基本用法：

int TestAuto()
{
	return 10;
}
int main()
{
	int a = 10;
	auto b = a;
	auto c = 'a';
	auto d = TestAuto();
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << typeid(d).name() << endl;
	//auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化
	return 0;
}

打印结果：
int
char
int

需要注意的是:

使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

8.3 auto的使用细则

8.3.1 auto与指针和引用结合起来使用

用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&

用法举例：

int main()
{
    int x = 10;
    auto a = &x;
    auto* b = &x;
    auto& c = x;
    cout << typeid(a).name() << endl;
    cout << typeid(b).name() << endl;
    cout << typeid(c).name() << endl;
    *a = 20;
    *b = 30;
     c = 40;
    return 0;
}

8.3.2 在同一行定义多个变量
当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

void TestAuto()
{
    auto a = 1, b = 2; 
    auto c = 3, d = 4.0;  // 该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同
}

8.4 auto不能推导的场景

  1. auto不能作为函数的参数
// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{}
  1. auto不能直接用来声明数组
void TestAuto()
{
    int a[] = {1,2,3};
    auto b[] = {4，5，6}; // 编译报错
}
  1. 为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法
  2. auto在实际中最常见的优势用法就是C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用。

9. 基于范围的for循环(C++11)

9.1 范围for的语法

在C++98中如果要遍历一个数组，可以按照以下方式进行：

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
		array[i] *= 2;
	for (int* p = array; p < array + sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++p)
		cout << *p << endl;
}

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for (auto& e : array)
		e *= 2;
	for (auto e : array)
		cout << e << " ";
}

int main()
{
	TestFor();
	return 0;
}

打印结果：2 4 6 8 10

注意：与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

9.2 范围for的使用条件

for循环迭代的范围必须是确定的
对于数组而言，就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供begin和end的方法，begin和end就是for循环迭代的范围。
注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定。

void TestFor(int array[])
{
    for(auto& e : array)
        cout<< e <<endl;
}

10. 指针空值nullptr(C++11)

10.1 C++98中的指针空值

在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：

void TestPtr()
{
	int* p1 = NULL;
	int* p2 = 0;
	// ……
}

而NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL   0
#else
#define NULL   ((void *)0)
#endif
#endif

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void)的常量*。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如：

void f(int)
{
	cout << "f(int)" << endl;
}
void f(int*)
{
	cout << "f(int*)" << endl;
}
int main()
{
	f(0);
	f(NULL);
	f((int*)NULL);
	return 0;
}

打印结果：
f(int)
f(int)
f(int*)

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。

在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void
*)0。

注意：

  1. 在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。
  2. 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
  3. 为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。
DerrictC
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