[C++] 一篇带你搞懂引用（）-- C++入门（3）
问题引入
在我们日常的生活中每个人都或多或少存在一个"外号"，例如《西游记》中孙悟空就有诸多外号：美猴王，孙行者，齐天大圣等等。那么在C++中，也可以给一个已经存在的变量取别名，这就是引用。
那么接下来深入来探讨一下引用
目录
1.引用的概念
1.1引用的表示方法
1.2引用特性
1.3常引用 引用权限
1.4引用的使用场景
1.4.1做参数
1.4.2做返回值
传值的底层过程：
引用导致野指针：
1.5值和引用作为返回值类型的性能比较
1.6引用和指针的区别
1.引用的概念
1.1引用的表示方法
类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；
如果熟悉C语言的同学可能会发现引用符号(&)看上去就像取地址运算符(&)或者按位AND运算符(&)，其实这是一个运算符重载的例子。通过重载，同一个运算符将会有不同的含义。编译器会通过上下文来确定运算符的含义。除了这里所提到的，其实在C++中还有一些运算符重载的情况。例如：* 即表示乘法，又表示对指针的解引用操作；<<即表示插入运算符，又表示按位左移运算符等。
代码实例：
int main()
{//引用：取别名int a = 10;int& b = a;//定义引用类型int& c = b;return 0;
}本段代码我们可以得知，a变量取了b，c两个别名。
我们也可以通过调试观察他们的内存：
通过调取内存我们可以发现，a,b,c所指向的是同一块内存空间。
1.2引用特性
引用有三个特性，分别是：
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
1.引用在定义的时候必须初始化
由于引用是对已经存在的变量进行取别名，因此使用引用时必须指定变量(初始化)。
int& d;//错误，未初始化2.一个变量可以有多个引用
在C++语法中，一个变量有多个引用，就类似于一个人可以有多个外号。在1.1的代码实例中变量a就有2个引用，分别是b和c。
3.引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
这个也比较好理解，因为引用一旦引用了一个已经存在的实体，就是这个实体的别名，当然不能再成为其他实体的别名。
1.3常引用 引用权限
我们来观察下面这段代码，他能编译成功吗？
int main()
{//1.const int x = 20;int& y = x; return 0;
}当我们编译这段代码发现编译器报出错误警告： 无法从“const int”转换为“int &”
这是因为我们在引用的时候要遵守引用的原则：
引用原则:对原变量的引用，权限不能放大。
1.3这段代码中x变量是const修饰是一个常变量，只有可读权限。而我们引用的类型是int，不仅有可读权限，还有可修改权限。这就造成了对原变量的权限放大。根据我们引用原则知道，对原变量的引用，权限是不能放大的，这就是为什么这段代码会报错的原因。
那我们再来看这一段代码，它能编译成功吗？
int main()
{//2.const int x = 20;const int& y = x;//不变//3.int c = 30;const int& d = c;//缩小return 0;
}
这段代码我们发现编译成功了，我们也可以轻松地分析出这里的引用是遵守引用规则的，我们发现，权限不变或者权限缩小都是符合规则的，唯一需要注意的是：权限不能放大。
1.4引用的使用场景
1.4.1做参数
void Swap(int& x, int& y)
{int tmp = x;x = y;y = tmp;
}int main()
{int a = 0, b = 1;Swap(a, b);return 0;
}引用可以作函数的形参，x是a的别名，y是b的别名。这里使用引用更加方便，也更好理解。
那既然以值作为函数参数和以引用作为函数参数都能解决这个问题，那为什么还要使用引用来做参数呢？这是因为引用的效率更高，我们可以通过下面这段测试代码更加直观看出效率的差别：
#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();return 0;
}
我们发现使用引用作为函数参数效率大大提高。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。
引用做参数的意义：
1.输出型参数。
2.减少拷贝，提高效率。
1.4.2做返回值
首先我们来观察这段代码的返回值是什么?
int Count()
{static int n = 0;n++;return n;
}
int main()
{cout << Count() << endl;cout << Count() << endl;cout << Count() << endl;return 0;
}
这里的结果是：1 2 3
因为n是局部静态的成员变量，只会初始化一次，虽然作用域在Count函数内部，但是生命周期是全局，我们可以通过调试观看他是否再执行函数的第一句？
传值的底层过程：
传值返回这个过程当中会产生一个临时变量，跟传参一样，如果小会用寄存器替代。传值返回的类型其实是临时变量的类型，将n拷贝给临时变量，再将临时变量拷贝给ret。那么为什么要设计临时变量呢？直接把n给ret不好吗？
这是因为在当临时变量出了函数作用域之后会销毁，函数栈桢也会销毁，那么此时n是不能作为返回值再赋值给ret的。那么编译器就在此生成了一个临时变量，把n拷给临时变量，再把临时变量给ret。此时，函数栈桢销毁是不会影响临时变量的。
那我们怎么可以证明这个过程产生了临时变量，我们可以给ret前加个引用。
此时我们发现，编译器是过不了的，这是因为此时ret是引用的临时变量，而临时变量具有常性，这里属于权限的放大，因此我们只需要加上const即可。我们也通过这个例子证明了临时变量的存在。
那现在我们给Count函数加个引用是什么意思？我们来看这段代码。
int& Count()
{int n = 0;n++; return n;
}
//中间产生了一个临时变量
int main()
{int ret = Count(); return 0;
}这里可以这么认为，中间也会产生一个临时变量，这个临时变量的类型为int&，此时这个临时变量是n的别名，再把临时变量赋给ret。返回的是一个n的别名，就相当于是吧n返回给了ret。
此时我们再观察这段代码我们发现编译器可以通过了，这里ret相当于是n的别名。
我们可以打印n和ret的地址看看：
这里ret和n的地址相同，也能证明ret是n的别名。因此，引用作为返回值其实返回的就是n的别名。
引用导致野指针：
这段代码合法吗？
其实这段代码是不合法的，因为出了函数的作用域，Count函数已经销毁了，我们再对此空间进行访问，就会造成非法访问，这里就是引用搞出来的野指针。
我们来验证一下：
//传引用返回的是n的别名
int& Count()
{int n = 0;n++; //cout << "n:"<< & n << endl;return n;
}
//中间产生了一个临时变量
int main()
{int& ret = Count(); //ret是别名的别名 也就是n的别名cout << ret << endl;cout << "ret"<< & ret << endl;cout << ret << endl;return 0;
}通过打印我们能够发现：第二个ret打印的是随机值。
因此此处需要注意 ：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。
我们来做一个实例巩固一下：
下面这段代码的结果是什么？为什么？
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;return 0;
}
结果：7，这里是因为在第一次调用Add时，ret为3，Add函数的栈桢销毁，在第二次调用时，Add函数的栈桢是相同的，c的位置为覆盖为7，再次访问ret此时就为7，因此这里使用是不安全的。以下打印就可以更加清晰了解这个过程。
1.5值和引用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();return 0;
}
通过打印我们发现引用作为返回值类型大大提高了效率。
原因：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。
1.6引用和指针的区别
引用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;int& ra = a;ra = 20;int* pa = &a;*pa = 20;return 0;
}我们来看引用和指针的汇编代码对比：
因此引用的底层实现上是按照指针的方式来实现的。
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8. 引用比指针使用起来相对更安全
（本篇完）
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