C++——引用简介

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一、什么是引用？

　　C++相比于C新增了一种复合类型——引用变量。引用是已定义的变量的一个别名，例如将dad作为father的引用，则dad和father是指同一个对象。那么这种别名有什么作用呢？可以让程序变得像一篇文章吗，避免重复词汇的出现？那真是太蠢了。其实引用变量的主要用途是用作函数的形参。通过将引用变量作为参数传给函数，函数将使用原始数据，而不是其副本（如果不清楚形参和实参的区别，请补充相关知识）。
　　这意味着，在C++中除了指针以外，引用为函数修改原始数据的值提供了十分方便的途径；从另一个角度来看，引用也为函数处理大型结构提供了非常便捷的途径，一般为了构建大型结构的副本，将会耗费大量资源。

二、怎么创建引用变量？

　　C和C++都使用&符号来指示变量的地址。而在C++中，&获得了新的含义，将其用于声明中，则意味着声明了一个引用变量。例如要将dad声明为father的引用，应该这样做：

int dad;int& father = dad;

　　在此可以类比指针的声明操作，int* ptr中的*并不是解引用运算符，而是类型标识符的一部分，表示这是一个指针。类似的，int& father = dad中的&也不是地址运算符，而是类型标识符的一部分，表示这是一个引用变量。
　　现在让我们来通过一个例程看看变量的引用和变量之间的关系吧：

#include <iostream>using std::cout;using std::endl;int main() {  int dad = 88;  int& father = dad;  //这里的&是类型标识符的一部分，表示声明一个int的引用  cout << "dad's value : " << dad << endl;  cout << "dad's address : " << &dad << endl;  //这里的&是地址运算符  cout << "father's value : " << father << endl;  cout << "father's address : " << &father << endl;   //这里的&是地址运算符  dad = 888;  cout << "dad's new value : " << dad << endl;  cout << "father's new value : " << father << endl;}

　　程序的输出是（具体的地址和格式与运行环境相关）：

dad’s value : 88
dad’s address : 0x7ffd010490fc
father’s value : 88
father’s address : 0x7ffd010490fc
dad’s new value : 888
father’s new value : 888

　　所以我们可以发现，dad和father的值和地址完全一样，尝试对dad进行赋值也会影响到father的值。
　　现在我们可能很自然地把引用和指针联系起来，但是它们之间的差别我们也要清楚，例如：

int dad;int& father = dad;int* papa = &dad;

　　那么dad、father、*papa是等价的，&dad、&father、papa是等价的。从这一点来说，引用很像包装了的指针，解引用操作被捆绑。但是引用除了表示方法不同于指针以外还有一点很重要的是，必须在声明时将其初始化，没有对象的引用变量是没有意义的。例如：

int dad;int& father;father = dad;

　　像上面这样写是错误的，不会通过编译，必须在声明的时候对引用变量初始化。
　　引用更接近const指针，必须在创建时进行初始化，一旦与某个变量关联起来，就无法再与其他变量关联了（“忠心耿耿”，“从一而终”）。可以说，引用就像是被包装了的const指针并且被捆绑解引用操作，因而我们也常说，指向某某某的引用，引用的出现使得程序员在编写程序时不被大量的*搞混。

三、怎么将引用作为函数参数？

　　引用最大的用途便是作为函数的参数，避免复制时消耗空间和时间，使得函数中的变量名成为调用程序中的原始变量的别名，这种传递参数的方法称为按引用传递。按引用传递允许被调函数直接访问传入变量的原始数据。还记得在C中应该如何写一个swap()函数来交换两个int变量的值吗？我们只能用指针来对原始数据进行修改。如：

void swap_by_pointer(int* a, int* b) {  int temp = *a;  *a = *b;  *b = temp;}int main() {  int x = 1, y = 2;  swap_by_pointer(&x, &y);}

　　而通过引用，我们可以直接这么写（注意调用方式的差异）：

void swap_by_reference(int& a, int& b) {  int temp = a;  a = b;  b = temp;}int main() {  int x = 1, y = 2;  swap_by_reference(x, y);}

四、什么是临时变量和左值？

　　经过先前的了解，我们知道：对于一个引用变量而言，必须要有它引用的东西，否则它就没有意义，那么对于按引用传递的函数来说，如果传入的数据不是一个可引用的变量呢，比如swap_by_reference(x + 1, 2)？在当前的C++标准下，这是错误的，大多数编译器都将指出这一点，因为我们知道x + 1 = 2的赋值语句是不正确的。但是有些情况下还是允许特例的，具体情况是这样：因为x + 1并不是一个变量，而是一个表达式，于是程序将创建一个临时的无名变量并将x + 1的值赋给它，再让函数形参中的a成为这个临时变量的引用，现在让我们看看什么时候会生成临时变量，什么时候不会呢？
　　在当前的C++标准下，仅当参数被声明为const引用，并且在实参属于以下两种情况时生成临时变量：
　　　　1. 实参的类型正确，但不是左值。
　　　　2. 实参的类型错误，但可以转换为正确的类型。
　　这里可能会出现新的疑问：什么是左值呢？
　　左值是可被引用的数据对象，所有有名字的，比如变量、数组元素、结构成员、指针和被解引用的指针等。非左值包括字面常量（双引号”“下的常量字符串除外，它们实质上是一个地址）和包含多项的表达式（如上述的x + 1）。在C语言中，左值最初指的是可出现在赋值语句左侧的实体，但当引入const关键字后，常规变量和const都被视作左值，因为可通过地址访问它们，尽管const修饰的变量不能被赋值，因而常规变量就被称为可修改的左值，而const变量则属于不可修改的左值。
　　了解了临时变量以后，我们应当意识到，在不影响函数功能时将引用参数设置为const是推荐的，有这么几个理由：
　　　　1. 使用const可以避免无意中修改数据造成的错误；
　　　　2. 使用const使函数能够同时处理const实参和非const实参，否则只能接受非const数据；
　　　　3. 使用const使函数能够正确生成并使用临时变量。

五、怎么将引用作为函数返回值？

　　在了解如何返回引用之前，先来思考一个问题：为什么要返回引用？
　　要回答这个问题，我们需要先分辨出返回引用与传统返回的区别，传统返回的机制按值传递函数参数类似：首先计算return后语句的值，然后将结果返回给调用函数，这个值被复制到一个临时位置，而调用程序将使用这个值，这是一个非左值。而返回引用实质上是返回一个左值，可用于相关的操作。比如在STL的vector容器定义中有一个at(int)函数，返回特定位置元素的引用，便于调用函数对其进行赋值等操作。
　　实现起来并不麻烦，只需要将函数返回值声明为引用类型即可，来看个例子：

#include <iostream>using std::cout;using std::endl;int& first_by_reference(int num[]) {  return num[0];}int first_by_value(int num[]) {  return num[0];}int main() {  int numArr[] = {0, 1, 2, 3, 4};  cout << "Reference : " << first_by_reference(numArr) << endl;  cout << "Value : " << first_by_value(numArr) << endl;  first_by_reference(numArr) = 5;  cout << "Edited Value : " << first_by_value(numArr) << endl;}

　　上面有两个函数，一个返回引用一个传统返回，两者差异只不过是函数返回值类型中前者为int&，后者为int而已，对return语句无须作任何修改。那么这个程序的输出是：

Reference : 0
Value : 0
Edited Value : 5

　　从中可以看见如果返回引用就相当于直接指向了原始数据。而如果我们尝试写出first_by_value(numArr) = 5;编译时就会报错，在笔者环境中的提示如下：error: lvalue required as left operand of assignment.
　　大意是赋值语句的左操作数需要为左值。所以从这里可以看到返回引用和传统返回的一个差异。
　　再来看另一个差异，前面提到过，引用作为参数传递时可以减少空间和时间的消耗，因为按值传递程序会生成一个原始数据的拷贝，在函数返回值的问题中也是一样，如果要返回一个大型结构，程序会生成一个副本，同样会耗费空间和时间，所以返回引用就也能解决这个问题，减少了程序构建副本时造成的开销。

六、返回引用需要注意的问题

　　返回引用时最重要的就是避免返回一个不再存在的内存单元的引用，比如：

string& givePapa() {  string papa = "papa";  return papa;}

　　当函数结束时，papa的生命周期结束，它已经被销毁，这时候再使用函数返回的引用将导致程序崩溃。一个可以采用的方法是在堆上开辟内存，如下：

string& givePapa() {  string *papa = new string{"papa"};  return *papa;}

　　但是这样又带来了新的问题，堆上内存需要释放，不然会造成内存泄漏，这是要务必小心的。还有另一个优雅的解决方法就是使用智能指针。

七、总结

　　使用引用的目的主要有两个：
　　　　1.程序员能够修改调用函数中的数据对象
　　　　2.通过传递引用而不是整个数据对象（不论是传入函数还是从函数传回），可以提高程序的运行速度。
　　使用引用时的问题或许没有使用指针时那么多，但是同样要提防会发生的问题。将引用当成const修饰的捆绑解引用操作的指针来理解会十分精准而自然。这么去理解也会减少很多可能会误用导致的程序错误。