[C++系列] 5. C++引用

赫赫有名的“黑旋风”，原名李逵，在“及时雨”宋江大哥面前，也只能算作“铁牛”了。

---

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。

语法为：类型&  引用变量名（对象名）=引用实体

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

int main() {
	Test();
	system("pause");
	return 0;
}

需要注意：引用类型必须和引用实体是同种类型（类型一致约束）。

2. 引用特性

有三点特性需要我们注意：

1）引用在定义时必须初始化

      定义一般变量时：

      声明：声明变量类型和名字 -> 定义：根据类型分配内存地址空间 -> 初始化：将初始值拷贝到变量的内存地址空间（三步）

      因此变量的声明，定义和初始化可以分开，不需要一次完成

      定义引用类型时：

      将引用绑定到初始化对象（一步）

      因此定义引用类型时必须有初始值对象（必须为左值）

2）一个变量可以存在多个引用（类似于一个人可以有多个别名）。

3）引用一旦引用了一个实体，再不能引用其他实体。

3. 常引用

void Test()
{
	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;
}

引用不能改变原有的语法。const只能“读”、不可“写”。尤其针对最后对double类型的引用，发生了隐式类型转换，其转换成一个类似于常量的对象，其不指向浮点类型变量，其指向隐式类型转化后的临时对象，为常量，加上const!!!

4. 使用场景：

4.1. 做参数

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

若直接将外部实参传入，类似于“传址”。而形参是实参的一份临时拷贝，当变量所占字节数较大时，效率低下！

4.2 做返回值

int& Test(int &a) {   //相当于 int Test(int a)
	a += 10;
	return a;
}

int& Test(int &a) 效果相当于 int Test(int a)，但两者可以构成重载函数，因为由参数类型来看，前者为“int类型引用”、“int类型”，但是调用传参时会发生紊乱！！！原因在于编译器无法准确识别参数传向哪一个。

int& Add(int a, int b)   // 以引用类型作为函数返回值
{
	int c = a + b;
	return c;
}

int main()
{
	int& ret = Add(1, 2);   // 函数已经返回，回收栈空间
	Add(3, 4);
	cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

注意：如果函数返回时，离开函数作用域后，其栈上空间已经还给系统，因此不能用栈上的空间作为引用类型返回。如果以引用类型返回，返回值的生命周期必须不受函数的限制(即比函数生命周期长)。

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 <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(int*)-time:" << end1 - begin1 << endl;
cout << "TestFunc2(int&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

// 运行多次，检测值和引用在传参方面的效率区别
int main() {
	for (int i = 0; i < 10; ++i) {
		TestRefAndValue();
	}
	system("pause");
	return 0;
}

#include <time.h>
struct A {
    int a[10000];
};
 
A a;
 
A TestFunc1() {
    return a;
}
 
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;
}
// 测试运行10次，值和引用作为返回值效率方面的区别
int main() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
        TestReturnByRefOrValue();
 
    return 0;
}

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. 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。

但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：

指针与引用底层实现相同，两者等价。但采用引用时不需要自己单独解引用，此步骤由编译器帮助完成！

引用和指针的不同点:
1. 引用在定义时必须初始化，指针没有要求。
2. 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。
3. 没有NULL引用，但有NULL指针，引用比指针使用起来相对更安全（已经进行了初始化，指向了实体）。
4. 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）。
5. 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。
6. 有多级指针，但是没有多级引用。
7. 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。引用和指针的不同点:
8. 引用比指针使用起来相对更安全