【C++深入浅出】初识C++中篇（引用、内联函数）

目录

一. 前言

二. 引用

2.1 引用的概念

2.2 引用的使用

2.3 引用的特性

2.4 常引用

2.5 引用的使用场景

2.6 传值、传引用效率比较

2.7 引用和指针的区别

 三. 内联函数

3.1 内联函数的概念

3.2 内联函数的特性 

一. 前言

        上期说道，C++是在C的基础之上，容纳进去了面向对象编程思想，并增加了许多有用的库，以及编程范式等。我们介绍了部分C++为了补充C语言语法上的不足而新增的内容，如命名空间，缺省参数，函数重载等等，上期传送门【C++深入浅出】初识C++（上篇）http://t.csdn.cn/UjbIo        本期将继续介绍C++剩下的一些有趣的功能，如引用，内联函数等等，这也是为了后面的类和对象打好基础。 

          话不多说，直接上菜！！！

二. 引用

2.1 引用的概念

        引用并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。

        引用就相当于我们给别人起昵称。例如你叫你女朋友小笨猪，那么对你而言，小笨猪就是你的女朋友，和叫名字是一个意思，既不是其他任何人，你也不会因此多一个女朋友

2.2 引用的使用

        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，此时ra就是变量a的别名，ra与a是同一块内存空间
	printf("a的地址为%p\n", &a);
	printf("ra的地址为%p\n", &ra);
}

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

我们看到变量a和引用变量ra的地址是一样的，说明它们共用同一块内存空间。

 2.3 引用的特性

        使用引用时需要注意以下几点特性

         1、引用在定义时必须初始化

int main()
{
	int a = 10;
	int& b; //错误写法，会报错
	int& b=a; //正确写法
	return 0;
}

         2、一个变量可以有多个引用

int main()
{
	int a = 10;
	//下面的b，c，d均是变量a的别名
	int& b = a;
	int& c = a;
	int& d = c;
	printf("%p %p %p %p\n", &a,&b,&c,&d);
	return 0;
}

          3、引用一旦引用一个实体，就不能引用其他实体

int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a; //b是a的别名
	int c = 20; 

	//能不能将b改成c的别名呢？
	b = c; //不行，这条语句是将c的值赋给引用变量b，即修改变量a的值，并不是让b引用c

	printf("&a = %p &b = %p &c = %p\n", &a,&b,&c);
	printf("a = %d b = %d c = %d\n", a, b, c);
	return 0;
}

          4、引用类型必须和引用实体是同种类型的

int main()
{
	int a = 10;
	double& b = a; //这种写法会报错
	return 0;
}

        我们看到编译器报错说非常量限定，那如果我们加上const修饰呢？如下：

    const double& b = a;

        我们惊讶地发现通过了编译，说明上面不是因为int和double类型不一样而报错，那究竟是为什么呢？下面我们来分析分析

         实际上，由于引用实体和引用变量的类型不同，编译器会自动进行隐式类型转换。编译器会生成一个double类型的临时变量tmp，然后将a的内容以某种形式放到临时变量tmp中，最后再让b引用临时变量tmp。

int main()
{
	int a = 10;
	const double& b = a;

	//类似于下面的步骤
	int a = 10;
	double tmp = a; //将a的值转换赋给tmp
	const double& b = tmp; //b再引用tmp
	return 0;
}

         由于临时变量具有常属性，因此tmp的类型就是const double，用double类型的引用变量引用const double类型的变量，这无疑是一种权限的放大，是不被允许的。就好比别人大门紧缩不然你进，你偏偏另辟蹊径从窗户翻入，这无疑是犯法的，私闯民宅。这就是为什么编译器会报出非常量限定的错误的原因，引用变量d需要加上const修饰，权限的平移是被允许的。

        最后，本来临时变量tmp在当前语句结束后就会被销毁，但此时被b所引用，其生命周期就自动被延长了。

         分析了这么多，下面我们用代码来进行验证一下：

int main()
{
	int a = 10;
	const double& b = a;

	printf("&a = %p , &b = %p\n", &a, &b); //求a，b空间的地址

	printf("修改前 a = %d , b = %.2lf\n", a, b);
	a = 20;
    //b = 30; //这句代码会报错，被const修饰的变量不可修改
	printf("修改后 a = %d , b = %.2lf\n", a, b);
	return 0;
}

我们发现a的地址和b的地址不同，这说明了b并不是变量a的引用，而是引用了新形成的临时变量。并且，当我们对a进行修改时，b中的内容并没有发生改变，这也印证了a和b不是同一块内存空间。最后，当我们想要对b的内容进行修改时，编译器会直接报错，说明b所在的空间具有常属性。

2.4 常引用

        被const关键字修饰的引用变量我们称为常引用。我们无法通过常引用来修改引用实体的值，如下：

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	const int& b = a;
	//b++; //会报错,b是常引用，无法修改
	a++; //a是普通变量，允许修改
	cout << "a = " << a <<' ' << "b = " << b;
	return 0;
}

        前面我们提到了权限不能放大，也就是说：普通引用不能引用常属性变量。但是，权限允许平移或者缩小，即常引用可以引用常属性变量、常引用可以引用普通变量。如下：

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	const int& b = a; //权限的缩小，const引用引用普通变量，编译正常

	const int aa = 10;
	const int& bb = aa;//权限的缩小，const引用引用const变量，编译正常
	int& cc = aa;//权限的放大，普通引用引用const变量，报错

	return 0;
}

 2.5 引用的使用场景

        引用的使用场景一般有两个：做函数参数、做函数返回值。

        1、引用作为函数参数

        在C语言中，如果我们调用函数时使用传值调用，那么形参的改变是不会影响实参的，形参是实参的临时拷贝。如果我们想在函数中对实参进行修改，那就必须使用传址调用，通过地址对实参的值进行修改。

        而在C++中，新增了引用的语法，我们可以使用引用作为函数的形参，此时形参就是实参的一个别名，并不会额外开辟空间，形参和实参共同内存空间，修改形参也就是对实参进行修改。具体实现方式如下

#include<iostream>
using namespace std;
void ModifyFun(int& x) //引用作为函数参数
{
	x = 100;
}
int main()
{
	int a = 10;
	cout << "调用前" << a << endl;
	ModifyFun(a);
	cout << "调用后" << a << endl;
}

#include<iostream>
using namespace std;
void Swap(int& x , int& y) //引用作为函数参数
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	cout << "交换前:" << "a = " << a << " b = " << b << endl;
	Swap(a, b);
	cout << "交换后:" << "a = " << a << " b = " << b << endl;
}

        2、引用作为函数返回值

        引用也可以作为函数的返回值，如下：

#include<iostream>
using namespace std;
int& Count()
{
	static int n = 0; //n是一个静态变量，函数调用结束后不会销毁
	cout << n << endl;;
	return n;
}
int main()
{
	int& k = Count();
	k++;
	Count();
	return 0;
}

在Count()函数通过引用返回n，此时main函数中的引用变量k就是n的别名，当我们在main函数中修改k，就相当于对静态变量n做修改。

        但是，如果以下情况使用引用返回会出现什么情况呢？ 

int& Add(int a, int b)
{
	int c = a + b; //c是局部变量，Add调用结束后被销毁
	return c;
}
int main()
{
	int& ret = Add(1, 2);
	Add(3, 4);
	cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
	return 0;
}

 很惊讶的发现，最终ret变量的值不是3而是7，为什么呢？

 这就要来谈谈上述代码出现的野引用问题了。

我们通过下图来进行分析 

 总结：函数返回时，如果出了函数作用域，返回对象还在(还没销毁还给系统)，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。

2.6 传值、传引用效率比较

        在C/C++中，以值作为参数或者返回值类型，在传参和返回期间，函数并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拷贝，因此用值作为参数或者返回值类型，需要额外进行拷贝，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。

        而如果以引用作为参数或者返回值类型，由于引用是作为变量的别名，并不会额外开辟空间形成拷贝。因此在传参和返回期间，就相当于直接传递实参或将变量本身直接返回，效率大大提升。下面我们通过代码来更直观地看看二者的效率差距：

        值和引用作为函数参数的效率差距

#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(); //clock()函数返回程序运行到调用clock()函数所耗费的时间，单位是ms
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++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 < 100000; ++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();
	return 0;
}

         值和引用作为返回值类型的效率差距

#include <time.h>
struct A 
{
	int a[10000]; 
}a;
// 值返回
A TestFunc1() 
{ 
	return a; 
}
// 引用返回
A& TestFunc2() 
{ 
	return a; 
}
void TestRefAndValue()
{
	// 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()
{
	TestRefAndValue();
	return 0;
}

通过上述代码的比较，我们发现传值和引用在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。传引用的效率远高于传值。因此能使用引用就尽量使用引用，提高效率。

2.7 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。这点我们可以参照二者编译后生成的汇编代码证明

int main()
{
	//引用
	int a = 10;
	int& ra = a;
	//指针
	ra = 20;
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	return 0;
}

可见，引用和指针的汇编代码是一模一样的，最后都是通过变量a的地址来修改a。

---

不过，引用和指针还是有不同点的，如下：

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. 引用必须初始化，故没有NULL引用，但有NULL指针
5. sizeof的含义不同，sizeof（引用变量）的结果为引用实体的类型大小，而sizeof（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位平台下占8个字节)
6. 引用自增即引用的实体增加1，指针自增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. 从安全性的角度，引用比指针使用起来相对更安全

三. 内联函数

3.1 内联函数的概念

        以inline关键字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，不会调用函数建立栈帧，因此内联函数提升程序运行的效率。
        我们可以通过汇编代码来验证加上inline的函数是否会被调用

        没加inline关键字:

int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int ans = 0;
	ans = Add(1, 2);
	return 0;
}

          加上inline关键字:

inline int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int ans = 0;
	ans = Add(1, 2);
	return 0;
}

可以看到，内联函数并不会生成对应的call指令，而是直接被替换到函数调用处，减少了调用函数建立栈帧的开销。

          注意事项：

          内联函数的效果需要在release模式才会体现。因为在debug模式下编译器默认不会对代码进行优化，顾不会进行展开。当然我们也可以进行设置，方法如下（VS2022）：

1、找到当前项目属性设置页：

 2、设置调试信息格式：

  3、设置内联函数扩展：

3.2 内联函数的特性 

主要有如下几点特性：

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：少了调用建立栈帧开销，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(编译器也是很聪明的，可不要贪杯噢)。以下为《C++prime》第五版关于inline的描述：
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，符号表中就没有函数地址了，链接就会找不到。

   // in.h
   #include <iostream>
   using namespace std;
   inline void f(int i);
   
   // in.cpp
   #include "in.h"
   void fun(int i)
   {
       cout << i << endl;
   }
   
   // main.cpp
   #include "in.h"
   int main()
   {
       fun(10);
       return 0;
   }

   

   报错原因：由于in.h文件中只有函数的声明没有定义，顾在编译阶段main.cpp中的fun() 函数无法进行展开，只能在链接阶段进行链接。但是由于in.cpp的fun()函数被声明为内联函数，fun()函数并不会进入符号表，最后就会导致链接时找不到函数地址，报错。

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