[C++ Primer Plus] 引用

認識引用

Declares a named variable as a reference, that is, an alias to an already-existing object or function. 來自: C++參考手冊

先從一個簡單的例子開始： 交換函數 swap() 。

// 代碼片斷01
void swap01(int a, int b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

// 代碼片斷02
void swap02(int *a, int *b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {

    int a= 10, b = 20;
    
    swap01(a, b); // 不會交換
    
    swap02(&a, &b); // 會交換

    return 0;
}

上述代碼彷佛不用解釋都知道它所要說明的問題。彷佛與今天的主題無關，可是不着急，看下 代碼片斷02 。內部充斥着 *a 、*b 這樣的操做，代碼彷佛不夠簡潔。有沒有什麼方式可使其更簡潔一些呢？有！ 引用！！。

有了引用之後，代碼是這樣的:

void swap03(int &a, int &b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {

    int a= 10, b = 20;
    
    swap03(a, b); // 會交換
    
    return 0;
}

代碼看起來和上面沒有什麼大的差異。&a、&b 彷佛是！在取地址。實際上不是的。它表示的 a 是某個 int 類型變量的引用(或者說某個 int 類型變量的別名)。

那麼如何建立一個 引用 呢？

int main(int argc, const char * argv[]) {

    int num = 10;
    
    int & ref = num; // 建立一個引用。
    
    int & refref = ref; // 建立一個引用

    return 0;
}

如上，建立的是 num 的引用，名字叫 ret。既然是引用，就是說，使用 num 和 ret 沒有任何區別。

沒有任何區別是什麼意思？意思就是說：num 和 ret 都是同一個內存地址的名稱。舉個小例子，如圖：

num: 周樟壽
ref: 周樹人
refref: 魯迅

只是名字變了，但它都是同一個內存！！

說到這裏，有沒有發現其實引用是什麼？像不像下面這樣：

int &ref = num;

// 等價於
int *ref = #

另外有一個須要注意的地方是： 引用一旦建立，便不能更改(只讀)！！既然不能修改，那就說明必須在建立時就要給引用初始化！！！。

int one = 10;
int two = 20;

// 錯誤01（ref建立時就要被初始化）
int &ref;
ref = one;
// 正確寫法：int &ref = one;

// 異常 02（引用一旦建立，便不能修改）
int &ref = one;
ref = two; // 這句話不會報錯，可是它表達的意思不是讓ref變成two的引用。而是將 two 的值，賦值給 ref。即，ref = 20;

至此，對引用有了一個基本的認識。總結一下：

1. 引用是某個變量的別名。
2. 引用一旦建立，便不能夠修改。
3. 引用建立時，必需要初始化。

基於以上的觀點。咱們能夠對引用有一個本質上的認識，即指針常量：

int & ref = num;

// 等價於
int * const ref = #

引用的做用

引用難道只是爲了簡化 *a 這樣的代碼，使代碼更簡潔麼？ 不是的。引用來源於指針，但不一樣於指針。

引用最主要的用途是：用做函數的參數(尤爲是結構體或對象參數)！！

• 做爲函數參數

  struct Student {
      std::string id;
      std::string name;
      int age;
  };
  
  void func01(Student student) { 
      // do something 
  }
  
  void func02(Student &student) { 
      // do something 
  }

  • func01 中會執行建立臨時的Student對象，並執行Student的數據拷貝(拷貝構造函數)。這是耗時和耗空間的。
  • func02 中使用的是Student的引用，所以操做的是同一塊內存區域，不會建立臨時對象，不耗時，也不佔用空間。

  • 【注意】 使用引用做爲參數時，常加上 const 修飾。理由以下：

    1. 避免無心中修改被引用的數據，如：

       int i = 5;
       
       int cube(int &a) { 
           a *= a * a; 
           return a; 
       }
       
       int sum(int &a) {
           a = a + 5;
           return a;
       }
       
       int tmp1 = cube(i); // 輸入時i= 5，輸出時i = 125
       int tmp2 = sum(i); // 輸入時i = 125，輸出時i = 130

    2. 可以處理 const 和 非const 實參，不然只能接受 非const 數據，如：

       const int NUM = 100;
       
       int sum01(int &a) {
         // do something
         return 0;
       }
       
       int sum02(const int &a) {
           // do something
           return 0;
       }
       
       sum01(NUM);// ERROR!!!!
       sum02(NUM);// OK

    3. 使函數可以正確生成並使用臨時變量。(這種在早期C++較寬鬆的規則下才會出現)

• 做爲函數返回值

  返回值是引用的函數，實際上返回的是被引用變量的「別名」

  有一個須要注意的地方是：不要返回臨時變量。以下：

  Student &clone(const Student &s) {
      Student student; // 局部變量，函數執行完成時會被銷燬。
      student.id = s.id;
      student.name = s.name;
      student.age = s.age;
      return student;
  }

  如上，會返回 student。可是 student 是局部的臨時變量，在 clone 函數執行完成後，將被銷燬，致使程序出現異常。避免這種問題有一些作法：

  1. 返回一個做爲參數傳遞給函數的引用。如：

     Student &clone(const Student &s) {
         return s;
     }

  2. 用 new 來分配新的內存空間， 如：

     Student &clone(const Student &s) {
         Student *student = new Student();
         student->id = s.id;
         student->name = s.name;
         student->age = s.age;
         return *student;
     }

引用的使用建議

使用引用參數的主要緣由有兩個:

• 程序員可以修改調用函數中的數據對象。
• (最主要)經過傳遞引用而不是整個數據對象(如：結構體和類對象這種數據對象較大的對象)，能夠提升程序的運行速度。

正如前面所說，引用來源於指針，但不一樣於指針。甚至引用像是指針的 "語法糖" 。那麼問題來了，何時使用引用，何時使用指針，何時使用按值傳遞呢？？？

對於使用傳遞的值而不做修改的函數

• 若是數據對象比較小(如：基本數據類型或者小型的結構)，選擇按值傳遞
• 若是數據對象是數組，則使用指針，由於這是惟一的選擇，並將指針聲明爲指向 const 的指針
• 若是數據對象是較大的結構，則使用指針或者引用，以提升程序的效率。這樣能夠節省複製結構所需的時間和空間
• 若是數據對象是類對象，則使用 const 修飾的引用。類設計的語義經常要求使用語義，這是C++新增這項特性的主要緣由。所以傳遞類對象參數的標準方式是按引用傳遞。

對於修改調用函數中數據的函數

• 若是數據對象是基本數據類型，則使用指針。
• 若是數據對象是數組，則只能使用指針。
• 若是數據對象是結構，則使用指針或者引用。
• 若是數據對象是類對象，則使用引用。