前言

本文深度探索引用的各種用法和特性。介紹引用的語(yǔ)法，核心特性，引用的權(quán)限控制，常引用以及引用的各種使用場(chǎng)景。

1. 引用的本質(zhì)與核心特性

1.1 引用概念

引用（Reference）是C++引入的重要特性，是 C++ 中的一種數(shù)據(jù)類型。

從語(yǔ)法層面講，引用是變量的別名。與指針不同，引用在語(yǔ)法層面不開(kāi)辟新空間，而是與原變量共享內(nèi)存地址。

引用不會(huì)創(chuàng)建新的對(duì)象，只是創(chuàng)建另一個(gè)訪問(wèn)現(xiàn)有對(duì)象的方式，引用類型變量是已有變量的別名。

引用在語(yǔ)法上與指針類似，但其語(yǔ)義和使用方式不同。

我們創(chuàng)建一個(gè)變量，其實(shí)就是對(duì)一塊內(nèi)存空間取名字
而創(chuàng)建引用類型對(duì)象，就是對(duì)已有的一塊空間取第二個(gè)名字。
兩個(gè)名字代表的是同一塊空間。

int main() {int a = 10;int& ra = a;  // ra是a的別名ra = 20;      // 修改ra等同于修改acout << a;    // 輸出20
}

可以看到:

• 對(duì)ra進(jìn)行操作，也就是對(duì)a進(jìn)行操作。
• 變量ra和ra具有相同的地址。

1.2 核心特性

特性	說(shuō)明	示例驗(yàn)證
必須初始化	定義時(shí)必須綁定實(shí)體	int& r; 編譯錯(cuò)誤
不可重綁定	綁定后不能指向其他變量	int b=20; ra=b; 實(shí)為賦值
類型嚴(yán)格匹配	必須與實(shí)體類型一致	double d=1.1; int& rd=d; 錯(cuò)誤
多級(jí)別名支持	可對(duì)引用再次引用	int& rra=ra; 合法

int main() {int a = 666;int num = 100;int& b = a;int& c = b;		//可對(duì)引用再次引用int& d = c;		//可對(duì)引用再次引用//int& e;		//引用必須初始化，該語(yǔ)句編譯會(huì)報(bào)錯(cuò)。cout << d << endl;d = num;	//引用一旦指定，不可修改   所以這里是  賦值， 是把num的值 100  賦值給  d   cout << &a << endl;		//輸出的地址相同cout << &b << endl;cout << &c << endl;cout << &d << endl;cout << a << endl;		//輸出的值相同cout << b << endl;cout << c << endl;cout << d << endl;
}

• 引用必須初始化
• 引用一旦指定，不可重綁定
• 引用的類型嚴(yán)格匹配
• 一個(gè)變量可以有多個(gè)引用(多個(gè)別名)，引用變量也可以有引用(引用的別名)。
• 在語(yǔ)法層面上， 我們認(rèn)為 引用沒(méi)有開(kāi)辟新空間， 只是對(duì)同一片內(nèi)存空間取了多個(gè)名字

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2. 常引用與權(quán)限控制

2.1 權(quán)限傳遞規(guī)則

操作	合法性	說(shuō)明
變量 → 常引用	??	權(quán)限縮小
常量 → 非 常引用	?	權(quán)限放大
常引用 → 常引用	??	權(quán)限不變

注意事項(xiàng)：

• 權(quán)限可以平移。
• 權(quán)限可以縮小。
• 權(quán)限不能放大。

看如下，此處有報(bào)錯(cuò)，為什么？

1. 首先聲明，每個(gè)變量名都有其相應(yīng)的權(quán)限。
2. 也就是說(shuō)，每塊內(nèi)存，都有相應(yīng)的權(quán)限。
3. 引用，就是對(duì)一塊內(nèi)存起了別名

• int x = 0, 創(chuàng)建變量x
• int& y = x, y是x的引用。此處， y是int型的引用，發(fā)生了權(quán)限的平移。
• const int& z = x， 此處發(fā)生了權(quán)限的縮小。該內(nèi)存塊在使用名字z時(shí)，權(quán)限為const，不能修改。
• 名字x和y權(quán)限相同，即， 該內(nèi)存塊在使用名字x和y時(shí)，可以修改
• 因此++x正確， ++z會(huì)報(bào)錯(cuò)。

2.2 常量引用

int main() {const int a = 10;//int& ra = a;	//編譯出錯(cuò)，因?yàn)?a為常量const int& ra = a;	//正確寫(xiě)法//int& b = 10;	//編譯出錯(cuò)，因?yàn)?10 為常量, 該語(yǔ)句產(chǎn)生了權(quán)限的放大const int& b = 10;	//正確寫(xiě)法return 0;
}

• 對(duì)const int a = 10;, 有int& ra = a， 編譯出錯(cuò)，因?yàn)?a為常量， 該語(yǔ)句發(fā)生了權(quán)限的放大

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2.3 臨時(shí)變量保護(hù)

1. 樣例

聲明1：在C/C++中，只要發(fā)生類型轉(zhuǎn)換，就會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)變量。
聲明2：臨時(shí)變量具有常性(不能修改)。

類型轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生具有常性的臨時(shí)變量，看以下例子：

	double d = 12.34;//int& rd = d;	//編譯出錯(cuò)，因?yàn)?類型不同const int& rd = d;	// 合法，等價(jià)于：// int temp = d;	// d為3.14, 常量// const int& rd = temp;

以上過(guò)程如下：

• 引用時(shí)發(fā)生類型轉(zhuǎn)換，實(shí)質(zhì)上是對(duì)臨時(shí)變量的引用。
• 臨時(shí)變量具有常性。double d = 12.34 ,//int& rd = d; //編譯出錯(cuò)。臨時(shí)變量具有常性，實(shí)質(zhì)上可以理解為：int& rd = const temp發(fā)生了權(quán)限的放大，因此報(bào)錯(cuò)。
• 臨時(shí)變量具有常性。const int& rd = d, 實(shí)質(zhì)上可以理解為：const int& rd = const d, 是權(quán)限的轉(zhuǎn)移。因此正確。

2. 樣例

聲明3：函數(shù)在進(jìn)行值返回時(shí)，返回的同樣是臨時(shí)變量。該臨時(shí)變量是原函數(shù)的拷貝。

實(shí)際上返回的是具有常性的臨時(shí)變量。
清楚了這一點(diǎn)后，以下例子的原理同上。

//例子
int func1() {	//返回x的拷貝，會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)變量static int x = 10;return x;
}int& func2() {	//返回x的別名， 不會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)變量static int x = 10;return x;
}
int main() {//int& x = func1();	//權(quán)限放大,錯(cuò)誤。int x1 = func1();	// 僅拷貝const int& y = func1();	//權(quán)限平移，可以進(jìn)行int& ret2 = func2();	//可以，權(quán)限的平移   const int& ret2_ = func2();		//可以，權(quán)限的縮小//總結(jié)，func返回的是一個(gè)變量的別名， return 0;
}

3. 測(cè)試

//測(cè)試類型轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)變量
int main() {int i = 10;double j = 10.11;//過(guò)程：double temp = i; double j = temp//該過(guò)程會(huì)發(fā)生類型提升//一般是小的往大的進(jìn)行類型提升,提升的時(shí)候不能改變?cè)兞俊?/span>//因此只能產(chǎn)生原變量的副本，即臨時(shí)變量if (j > i)	//此處是 double j 和 double i的比較cout << "xxxxxxxxxxxxx" << endl;return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果如下：

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三、引用使用場(chǎng)景分析

3.1 函數(shù)參數(shù)傳遞

輸出型參數(shù)

//利用引用，可以避免指針和多級(jí)指針
void Swap(int& a, int& b) {	//交換值   形參是實(shí)參的別名int temp = a;a = b;b = temp;
}

避免多級(jí)指針

void Swap(int*& a, int*& b) {	//交換指針 如果不用引用，交換指針變量需要用二級(jí)指針int* temp = a;a = b;b = temp;
}

高效傳參

struct BigData { int arr[10000]; };// 值傳遞：拷貝4w字節(jié)
void ProcessData(BigData data); // 引用傳遞：僅傳地址（4 或 8字節(jié)）
void ProcessDataOpt(const BigData& data);

3.2 做函數(shù)返回值

正確使用

int& GetStatic() {static int count = 0;return count;  // 靜態(tài)變量， 生命周期足夠
}

危險(xiǎn)案例

int& DangerousRet() {int local = 10;return local;  // 返回局部變量引用！
}

• 如果函數(shù)返回時(shí)，出了函數(shù)作用域，如果返回對(duì)象還在(還沒(méi)還給系統(tǒng))，則可以使用引用返回。
• 如果已經(jīng)還給系統(tǒng)了，則必須使用傳值返回。

不能返回局部對(duì)象(變量)的引用。

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4. 性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

4.1 參數(shù)傳遞效率

struct HugeStruct { int data[10000]; };void ValueFunc(HugeStruct hs) {}    // 值傳遞
void RefFunc(const HugeStruct& hs) {} // 引用傳遞// 測(cè)試結(jié)果（10000次調(diào)用）：
// 值傳遞耗時(shí)：1587ms
// 引用傳遞耗時(shí)：2ms

4.2 返回效率對(duì)比

HugeStruct g_data;HugeStruct ReturnByValue() { return g_data; }
HugeStruct& ReturnByRef() { return g_data; }// 測(cè)試結(jié)果（100000次調(diào)用）：
// 值返回耗時(shí)：3521ms
// 引用返回耗時(shí)：1ms

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5. 引用與指針的終極對(duì)比

5.1 底層實(shí)現(xiàn)

; 引用實(shí)現(xiàn)
mov    dword ptr [a], 0Ah
lea    eax, [a]          ; 取地址
mov    dword ptr [ra], eax ; 指針實(shí)現(xiàn)
mov    dword ptr [a], 0Ah
lea    eax, [a]
mov    dword ptr [pa], eax

關(guān)鍵區(qū)別

• 引用：在 C++ 中引用通常會(huì)被優(yōu)化為指針，底層是通過(guò)地址訪問(wèn)，但語(yǔ)法上沒(méi)有指針的顯式解引用和取地址操作。
• 指針：指針顯式地存儲(chǔ)內(nèi)存地址，允許進(jìn)行指針?biāo)阈g(shù)操作，指針本身也可以為空（nullptr）。

從底層來(lái)看，引用和指針的實(shí)現(xiàn)非常相似，都是通過(guò)存儲(chǔ)地址來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的間接訪問(wèn)。區(qū)別在于語(yǔ)法和語(yǔ)義上，引用在 C++ 中看起來(lái)更像是變量的別名，而指針則顯式地表示地址。

5.2 特性對(duì)比表

特性	引用	指針
初始化要求	必須	可選
空值	無(wú)NULL引用	支持NULL
重定向	不可	可以
訪問(wèn)方式	直接訪問(wèn)	需解引用(*或->)
類型安全	更高	較低
多級(jí)間接	單級(jí)	支持多級(jí)
sizeof	返回原類型大小	返回地址大小(4或8字節(jié))

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6. 高級(jí)應(yīng)用技巧

6.1 鏈?zhǔn)讲僮?/h3>

struct Matrix {Matrix& Transpose() { /*...*/ return *this; }Matrix& Rotate(double angle) { /*...*/ return *this; }
};Matrix mat;
mat.Transpose().Rotate(45);  // 鏈?zhǔn)秸{(diào)用

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7. 總結(jié)引用要點(diǎn)

1. 引用概念上定義一個(gè)變量的別名，指針存儲(chǔ)一個(gè)變量地址。
2. 引用在定義時(shí)必須初始化，指針沒(méi)有要求
3. 引用在初始化時(shí)引用一個(gè)實(shí)體后，就不能再引用其他實(shí)體，而指針可以在任何時(shí)候指向任何一個(gè)同類型實(shí)體
4. 沒(méi)有NULL引用，但有NULL指針
5. 在sizeof中含義不同：引用結(jié)果為引用類型的大小，但指針始終是地址空間所占字節(jié)個(gè)數(shù)(32位平臺(tái)下占4個(gè)字節(jié))
6. 引用自加即引用的實(shí)體增加1，指針自加即指針向后偏移一個(gè)類型的大小
7. 有多級(jí)指針，但是沒(méi)有多級(jí)引用
8. 訪問(wèn)實(shí)體方式不同，指針需要顯式解引用，引用編譯器自己處理
9. 引用比指針使用起來(lái)相對(duì)更安全

8. 最佳實(shí)踐指南

1. 優(yōu)先const引用：函數(shù)參數(shù)盡量使用const T&形式
2. 警惕返回引用：確保返回對(duì)象生命周期足夠
3. 替代輸出參數(shù)：用引用替代指針作為輸出參數(shù)
4. 類型轉(zhuǎn)換注意：隱式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生臨時(shí)變量需用const引用
5. 與智能指針配合：std::shared_ptr<T>&管理資源(后續(xù)講解)

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