[C++知识库] 【C++入门】引用

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。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；看代码：
int main()
{
	//把b叫做a的引用，也叫做b是a的别名
	int a = 10;
	int& b = a;
	return 0;
}
这里有一个变量a，a这块空间占4个字节，现在又给a取了一个名字叫b，也就是说a和b同时可以访问且修改这块空间，并且这里a和b的地址均是一样的。

引用的实质就是在取别名，就好比西游记里的孙悟空，你叫他弼马温、齐天大圣、孙行者都是一个道理

既然引用是在取别名，那我对别名进行修改，就相当于对自己本身进行修改：

2、引用特性

引用具有三大特性：

引用在定义时必须初始化
一个变量可以有多个引用
引用一旦引用一个实体，再不能引用其它实体

接下来，我将做具体演示：

引用在定义时必须初识化

我能否写出如下的引用呢？
int& d;
答案很明显，还没等你编译，就已经肉眼看见的错误了，综上，引用在定义时必须初始化。

一个变量可以有多个引用

比如我有个变量a，你可以给其取个别名b，也可以取个别名c，甚至给别名c再取别名d都可以，并且这些别名和a的地址均是一样的，我改变其中一个，其它的也会随之改变。

引用一旦引用一个实体，再不能引用其它实体

看代码：

在这段代码中，我们已经给a取别名b，随后把e的值赋给b，这里可不是对e取别名了，通过编译即可看出来，b的地址同引用的a的地址，而不同于e的地址。

3、常引用

3.1、取别名的规则

我们在取别名的时候，不是在所有情况下都可以随便取的，要在一定范围内。

对原引用变量，权限只能缩小，不能放大。

权限放大error

我们都清楚C语言有个const，在C++的引用这一块也是有const引用的

假如我们现在有const修饰过的变量x，现在想对x取别名，还能像如下的方式进行吗？
//权限放大 err
const int x = 20;
int& y = x;
此时的y还是x的别名吗？编译起来一看全是错误

这就是典型的权限放大，学过C语言我们都清楚，const是只读的，对于变量x，我们只可以进行读，不能进行修改。而此时我们对x引用成y，且是int型的，此时y是可读可写的，不满足x的只读条件。

那怎么样才能对x进行引用呢？只需要确保权限不变即可，见下文：

权限不变

想要控制权限不变非常简单，只需要对x引用的同时加上const修饰即可，让变量y也是只读的
//权限不变
const int x = 20;
const int& y = x;
那如果变量没有加const修饰，但是在引用时加了const可以吗？这就是权限缩小，看下文：

权限缩小

//权限缩小
int c = 30;
const int& d = c;
我们针对上述代码进行编译，发现编译器没有任何报错，答案是可以的。

这里的c是可读可写的，我对c进行const引用，顶多就是把c改变为只读的，只是权限缩小，不违反要求，当然是可以的。

3.2、拓展1：如何给常量取别名

可以给常量取别名吗？
int& c = 20; // err
其实是不可以直接进行取别名的，但是我们加上const就可以了：
const int& c = 20; // right

拓展2：临时变量具有常性

看如下代码：
double d = 2.2;
int& e = d;
现在e能成为d的别名吗？

很明显不可以，编译器发生错误。但是我加上const，发现它竟然就不会出错了：
double d = 2.2;
const int& e = d;
怎么解释上述代码呢？这就需要我们先回顾下C语言的类型转换

C++本身是在C语言的基础上走的，C语言在相似类型是允许隐式类型转换的。大给小会截断，小给大会提升。看如下代码：
double d = 2.2;
int f = d;
编译器运行后：

这里的会丢失数据其实就是会丢失精度

注意：

这里在把d的值赋给f时并不是直接赋值的，会把d的整数部分取出来，赋值给一个临时变量，该临时变量大小4个字节，随后再把这个临时变量给给f

临时变量具有常性，就像被const修饰了一样，不能被修改

谈到这，你就应该能够理解上文的这段代码为什么要加上const才能编译通过：
double d = 2.2;
const int& e = d;
答案很简单，这里e引用的是临时变量，临时变量具有常性，不能直接引用，否则就是放大了权限，加上const才能保证其权限不变

可能又会有人提问了，那为什么这段代码在赋值的时候不加上const呢？
double d = 2.2;
int f = d;
其实很简单，上述加const是在我引用的基础上加的，如若不加const，那么就是放大权限，让e变为可读可写的同时临时变量也如此，而此段代码中，对f的改变并不会影响到我临时变量，更不会影响到d，主要就是普通的变量不存在权限放大或缩小。

此时又有人提问了，那么此时的e还是对d的引用吗？
double d = 2.2;
const int& e = d;
这当然不是，此时的e是对临时变量的引用，是临时变量的别名。可以通过编译来验证：

3.3、对权限控制的用处

这里简单提下，例如这个传参的问题。

如若函数写出普通的引用，那么很多参数可能会传不过来：

仔细看这段代码，只有a能正常传过去，后面的均传不过去，因为后面传的参数均涉及权限放大，固然编译器会出错

但是当我们在函数的形参那加上const呢？

加了const后编译器就会报错了?

4、引用的使用场景

引用的使用场景分为两个：

做参数
做返回值

接下来，我将会详细讲解下：

4.1、做参数

就比如说我现在要写一个Swap函数，以前是用指针写的：
//指针版
void Swap(int* pa, int* pb)
{
	int tmp = *pa;
	*pa = *pb;
	*pb = tmp;
}
而现在，我们就可以巧用引用来完成Swap函数
//引用版
void Swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y; 
	y = tmp;
}
//支持函数重载
void Swap(double& x, double& y)
{
	double tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
现在，引用就可以做我的形参，就不用再像以前C语言那样总是取地址&，并且在调用的时候也会非常方便，因为有函数重载的加持。
int main()
{
    //交换整数
	int a = 0, b = 1;
	Swap(a, b);
    //交换浮点数
	double c = 1.1, d = 2.2;
	Swap(c, d);
    return 0;
}
引用还有一个好处在输出型参数会得到体现：
int* preorderTraversal(struct TreeNode* root, int* returnSize) {
    //……
}
这里给一个*returnSize多少有点奇怪，其实这样写就非常方便：
int* preorderTraversal(struct TreeNode* root, int& returnSize) {
    //……
}
int main()
{
    preorderTraversal(tree, size);
}
加上引用会在调用时省去写&，也更方便理解，减少对指针的使用。

综上，引用做参数的好处如下：

输出型参数
减少拷贝、提高效率

引用还有一个使用场景是做返回值，具体看下文：

4.2、做返回值

先看一段代码：
int Count()
{
	static int n = 0;
	n++;
	return n;
}
int main()
{
	cout << Count() << endl; //1
	cout << Count() << endl; //2
	cout << Count() << endl; //3
	return 0;
}
针对此段代码，我们运行的结果是1、2、3。

这里可能有人会提问为什么不是1、1、1呢？注意这里使用了静态区的变量只会初始化一次，也就是说我static int n = 0这行代码在编译时只有第一次会跳到这，其余两次均不会走这一行代码，你每次进去的n都是同一个n。通过调试我们就可以看出，这里n的地址始终都是一样的。

传值返回

传值返回是有讲究的。正如这段代码：
int Count()
{
	int n = 0;
	n++;
	return n;
}
int main()
{
	int ret = Count();
	return 0;
}
在传值返回的过程中会产生一个临时变量（类型是int），如果这个临时变量小它会用寄存器替代，如果大就不会用寄存器替代。

具体返回的过程是先把函数的n拷贝给临时变量，再把临时变量拷贝给ret。

为什么要设计这个临时变量呢？

上述代码不可以直接把n返回给ret，这里我们简要画个栈帧图即可看出：

main函数里有个变量ret，汇编时会call一个指令跳到函数Count，Count里有一个变量n。这里不能把n直接传给ret，因为在函数Count调用完成后要拿一个值赋给ret，且函数调用完后函数栈帧就销毁了，所以赋给ret的这个值就是设计出的临时变量

如何证明我这中间会产生临时变量呢？

只需要加个引用即可。

这里很明显编译发生错误。为什么呢？这里其实答案就很明显了，这里ret之所以出错不就是因为其引用的是临时变量呢，因为临时变量具有常性，只读不可修改，直接引用则会出现上文所述的权限放大问题。?所以这不很巧合的验证了此函数调用中途会产生临时变量。

解决方法也很简单，保持权限不变即可，即加上const修饰：

传引用返回

我们对上述代码进行微调：
int& Count()
{
	int n = 0;
	n++;
	return n;
}
int main()
{
	int ret = Count();
	return 0;
}
这里加上了引用&后，中间也会产生一个临时变量，只是这个临时变量的类型是int&。我们把这个临时变量假定为tmp，那么此时tmp就是n的别名，再把tmp赋值给ret。这个过程不就是直接把n赋给ret吗。这里区分于传值返回的核心就在于传引用的返回就是n的别名。

如何证明传引用返回的是n的别名？

只需要在函数调用时加个引用即可：

我们也可以通过打印法来验证：

这里ret和n的地址一样，也就意味着ret其实就是n的别名。综上，传值返回和传引用的返回的区别如下：

传值返回：会有一个拷贝
传引用返回：没有这个拷贝了，返回的直接就是返回变量的别名?

现在又存在一个问题了：我传引用的代码对不对？

我传引用返回后，ret就是n的别名，但是有没有想过，出了函数出了这个作用域我n不是都销毁了吗，怎么还会有别名呢？

空间的销毁不是说空间就不在了。空间的归还就好比你退房，虽然你退房了，但是这个房间还是在的，只是说使用权不是你的了。但是假说你在不小心的情况下留了一把钥匙，你依旧是可以进入这个房间，不过你这个行为是非法的。这个例子也就足矣说明了上述的代码是有问题的。是一个间接的非法访问。

仔细看我这段截图：

这里第一次打印ret的值为1，第二次打印的ret为随机值，这就是因为发生了覆盖。这里你第一次打印是正常的，随后打印完后，函数栈帧销毁，此时又打印了其它东西，又会函数调用覆盖了原来函数的位置，当你第二次打印ret的值时自然就是随机值了。

综上这种情况是不能进行引用返回的。

若我非要引用返回呢？如何正确使用？

加上static即可：
int& Count()
{
	static int n = 0;
	n++;
	cout << "&n: " << &n << endl;
	return n;
}
int main()
{
	int& ret = Count();
	cout << ret << endl;
	cout << "&ret: " << &ret << endl;
	cout << ret << endl;
	return 0;
}
加上了static后就把n放在了静态区了，出了作用域不会销毁，自然而然可以正确使用引用返回了，并且输出结果也是我们预期的：

注意：

如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还未还给系统，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。否则就可能会出越界问题。

再举一个例子：
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;  //7
	return 0;
}
这段代码执行的结果ret的值为7，首先我Add(1，2)，调用完后，返回c的别名给ret，随即调用完Add栈帧销毁，当我第二次调用时c的值就被修改为7了，这里想表达的是这里是不安全的。

正常情况下我们应该加上static：

加上static后这里ret的值就是3了，因为加上了static初始化只有一次。此时c在静态区了，销毁栈帧它还在。

这里再演示下其被覆盖的情形：

正常情况：

不加static发生覆盖：

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(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}
int main()
{
	TestRefAndValue();
}

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;
}
int main()
{
	TestReturnByRefOrValue();
}

6、引用和指针的区别

引用和指针的不同点：

引用概念上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
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)
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，引用编译器自己处理
引用比指针使用起来相对更安全

接下来就上述指针与引用不同点做详细解析：

引用在定义时必须初始化，指针没有要求
int& r; //err 引用没有初始化
int* p; //right 指针可以不初始化
在sizeof中含义不同：引用结果为引用类型的大小，但直至始终时地址空间所占字节个数（32位平台下占4个字节）
	double d = 2.2;
	double& r = d;
	cout << sizeof(r) << endl; //8
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。

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;
	//语法角度而言：ra是a的别名，没有额外开空间
	//底层的角度：它们是一样的方式实现的
	int& ra = a;
	ra = 20;
	//语法角度而言：pa存储a的空间地址，pa开了4/8字节的空间
	//底层的角度：它们是一样的方式实现的
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	return 0;
}
我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

通过反汇编我们可以看出：引用是按照指针方式来实现的。