第3章 C++引用总结
引用是C++的新增内容，在实际开发中会经常使用；C++引用就如同C语言的指针一样重要，但它比指针更加方便和易用。
我们知道，参数的传递本质上是一次赋值的过程，赋值就是对内存进行拷贝。所谓内存拷贝，是指将一块内存上的数据复制到另一块内存上。
- 对于像 char、bool、int、float 等基本类型的数据，它们占用的内存往往只有几个字节，对它们进行内存拷贝非常快速。
- 而数组、结构体、对象是一系列数据的集合，数据的数量没有限制，可能很少，也可能成千上万，对它们进行频繁的内存拷贝可能会消耗很多时间，拖慢程序的执行效率。
C/C++ 禁止在函数调用时直接传递数组的内容，而是强制传递数组指针，而对于结构体和对象没有这种限制，调用函数时既可以传递指针，也可以直接传递内容；为了提高效率，我曾建议传递指针，这样做在大部分情况下并没有什么不妥。但是在 C++ 中，我们有了一种比指针更加便捷的传递聚合类型数据的方式，那就是引用（Reference）。
引用（Reference）是 C++ 相对于C语言的又一个扩充。引用可以看做是数据的一个别名，通过这个别名和原来的名字都能够找到这份数据。引用类似于 Windows 中的快捷方式，一个可执行程序可以有多个快捷方式，通过这些快捷方式和可执行程序本身都能够运行程序；引用还类似于人的绰号（笔名），使用绰号（笔名）和本名都能表示一个人。
引用的定义方式类似于指针，只是用&取代了*，语法格式为：
type &name = data;
type 是被引用的数据的类型，name 是引用的名称，data 是被引用的数据。
引用必须在定义的同时初始化，并且以后也要从一而终，不能再引用其它数据，这有点类似于常量（const 变量）。
#include <iostream>
using namespace std;
int main(){
int a = 99;
int &b = a;
cout<<a<<", "<<b<<endl;
cout<<&a<<", "<<&b<<endl;
return 0;
}
如果读者不希望通过引用来修改原始的数据，那么可以在定义时添加 const 限制，形式为：
const type &name = value;
这种引用方式为常引用。
引用除了可以作为函数形参，还可以作为函数返回值，在将引用作为函数返回值时应该注意一个小问题，就是不能返回局部数据（例如局部变量、局部对象、局部数组等）的引用，因为当函数调用完成后局部数据就会被销毁，有可能在下次使用时数据就不存在了，C++ 编译器检测到该行为时也会给出警告。
#include <iostream>
using namespace std;
int &plus10(int &n){
int m = n + 10;
return m; //返回局部数据的引用
}
int main(){
int num1 = 10;
int num2 = plus10(num1);
cout<<num2<<endl;
int &num3 = plus10(num1);
int &num4 = plus10(num3);
cout<<num3<<" "<<num4<<endl;
return 0;
}
- 在 Visual Studio 下的运行结果：
plus10() 返回一个对局部变量 m 的引用，这是导致运行结果非常怪异的根源，因为函数是在栈上运行的，并且运行结束后会放弃对所有局部数据的管理权，后面的函数调用会覆盖前面函数的局部数据。本例中，第二次调用 plus10() 会覆盖第一次调用 plus10() 所产生的局部数据，第三次调用 plus10() 会覆盖第二次调用 plus10() 所产生的局部数据。
#include <iostream>
using namespace std;
int main(){
int a = 99;
int &b = a;
cout<<a<<", "<<b<<endl;
cout<<&a<<", "<<&b<<endl;
return 0;
}
- mingw64运行结果如下：
- vs2022运行结果如下：
我们知道，变量是要占用内存的，虽然我们称 b 为变量，但是通过&b获取到的却不是 b 的地址，而是 a 的地址，这会让我们觉得 b 这个变量不占用独立的内存，它和 a 指代的是同一份内存。
请读者再继续看下面的例子：(个人：64位指针占用8个字节，还有可能涉及到内存对齐问题，所以将类型int改为了long long)
#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
long long num = 99;
class A{
public:
A();
private:
long long n;
long long &r;
};
A::A(): n(1), r(num){}
int main (){
A *a = new A();
cout<<"sizeof(long):"<<sizeof(long)<<endl;
cout<<"sizeof(long long):"<<sizeof(long long)<<endl;
cout<<"sizeof(A):"<<sizeof(A)<<endl; //输出A类型的大小
cout<<hex<<showbase<<*((long long *)a + 1)<<endl; //输出r的内容
cout<<&num<<endl; //输出num变量的地址
return 0;
}
- 成员变量 r 是 private 属性的，不能直接通过对象来访问，但是借助强大的指针和类型转换，我们依然可以得到它的内容，只不过这种方法有点蹩脚，只要知道第 16 行代码是用来输出 r 的内容的即可。
- 第 18行代码中，hex表示以十六进制输出，showbase表示添加十六进制前缀0x。
从运行结果可以看出：
- 成员变量 r 是占用内存的，如果不占用的话，sizeof(A)的结果应该为 8。
- r 存储的内容也即变量 num 的地址。
这说明r的实现和指针非常类似。如果将 r 定义为long long *类型的指针，并在构造函数中让它指向 num，那么 r 占用的内存也是 8 个字节，存储的内容也是 num 的地址。
其实引用只是对指针进行了简单的封装，它的底层依然是通过指针实现的，引用占用的内存和指针占用的内存长度一样，在 32 位环境下是 4 个字节，在 64 位环境下是 8 个字节，之所以不能获取引用的地址，是因为编译器进行了内部转换。以下面的语句为例：
int a = 99; int &r = a; r = 18; cout<<&r<<endl;
编译时会被转换成如下的形式：
int a = 99; int *r = &a; *r = 18; cout<<r<<endl;
使用&r取地址时，编译器会对代码进行隐式的转换，使得代码输出的是 r 的内容（a 的地址），而不是 r 的地址，这就是为什么获取不到引用变量的地址的原因。也就是说，不是变量 r 不占用内存，而是编译器不让获取它的地址。
当引用作为函数参数时，也会有类似的转换。以下面的代码为例：
//定义函数
void swap(int &a, int &b){
int temp = a;
a = b;
b = temp;
}
//调用函数
int num1 = 10, num2 = 20;
swap(num1, num2);
编译时会被转换成如下的形式：
//定义函数
void swap(int *a, int *b){
int temp = *a;
*a = *b;
*b = temp;
}
//调用函数
int num1 = 10, num2 = 20;
swap(&num1, &num2);
引用虽然是基于指针实现的，但它比指针更加易用，通过指针获取数据时需要加*，书写麻烦，而引用不需要，它和普通变量的使用方式一样。C++ 的发明人 Bjarne Stroustrup 也说过，他在 C++ 中引入引用的直接目的是为了让代码的书写更加漂亮，尤其是在运算符重载中，不借助引用有时候会使得运算符的使用很麻烦。
引用和指针的其他区别是：
- 引用必须在定义时初始化，并且以后也要从一而终，不能再指向其他数据；而指针没有这个限制，指针在定义时不必赋值，以后也能指向任意数据。
- 可以有 const 指针，但是没有 const 引用。也就是说，引用变量不能定义为下面的形式：
int a = 20; int & const r = a;
因为 r 本来就不能改变指向，加上 const 是多此一举。
- 指针可以有多级，但是引用只能有一级，例如，int **p是合法的，而int &&r是不合法的。如果希望定义一个引用变量来指代另外一个引用变量，那么也只需要加一个&，如下所示：
int a = 10; int &r = a; int &rr = r;
- 指针和引用的自增（++）自减（--）运算意义不一样。对指针使用 ++ 表示指向下一份数据，对引用使用 ++ 表示它所指代的数据本身加 1；自减（--）也是类似的道理。请看下面的例子：
#include <iostream>
using namespace std;
int main (){
int a = 10;
int &r = a;
r++;
cout<<r<<endl;
int arr[2] = { 27, 84 };
int *p = arr;
p++;
cout<<*p<<endl;
return 0;
}
我们知道，指针就是数据或代码在内存中的地址，指针变量指向的就是内存中的数据或代码。这里有一个关键词需要强调，就是内存，指针只能指向内存，不能指向寄存器或者硬盘，因为寄存器和硬盘没法寻址。
- 其实 C++ 代码中的大部分内容都是放在内存中的，例如定义的变量、创建的对象、字符串常量、函数形参、函数体本身、new或malloc()分配的内存等，这些内容都可以用&来获取地址，进而用指针指向它们。
- 除此之外，还有一些我们平时不太留意的临时数据，例如表达式的结果、函数的返回值等，它们可能会放在内存中，也可能会放在寄存器中。一旦它们被放到了寄存器中，就没法用&获取它们的地址了，也就没法用指针指向它们了。(个人：对于引用也一样，因为引用的底层是根据指针来实现的)
下面的代码演示了表达式所产生的临时结果：
这些表达式的结果都会被放到寄存器中，尝试用&获取它们的地址都是错误的。(个人：似乎我们能够取得一个左值的地址，而对于一个右值，我们不能取得它的地址，它没有地址)
下面的代码演示了函数返回值所产生的临时结果：
func() 的返回值也会被放到寄存器中，也没法用&获取它的地址。
#include <iostream>
using namespace std;
typedef struct {
int a;
int b;
} S;
//这里用到了一点新知识，叫做运算符重载，我们会在《运算符重载》一章中详细讲解
S operator+(const S& A, const S& B) {
S C;
C.a = A.a + B.a;
C.b = A.b + B.b;
return C;
}
S func() {
S a;
a.a = 100;
a.b = 200;
return a;
}
int main() {
S s1 = { 23, 45 };
S s2 = { 90, 75 };
S* p1 = &(s1 + s2);
S* p2 = &(func());
cout << p1 << ", " << p2 << endl;
return 0;
}
诸如100、200+34、34.5*23、3+7/3 等不包含变量的表达式称为常量表达式（Constant expression）。常量表达式由于不包含变量，没有不稳定因素，所以在编译阶段就能求值。编译器不会分配单独的内存来存储常量表达式的值，而是将常量表达式的值和代码合并到一起，放到虚拟地址空间中的代码区。从汇编的角度看，常量表达式的值就是一个立即数，会被“硬编码”到指令中，不能寻址。
总起来说，常量表达式的值虽然在内存中，但是没有办法寻址，所以也不能使用&来获取它的地址，更不能用指针指向它。下面的代码是错误的，它证明了不能用&来获取常量表达式的地址：
引用和指针在本质上是一样的，引用仅仅是对指针进行了简单的封装。引用和指针都不能绑定到无法寻址的临时数据，并且C++对引用的要求更加严格，在某些编译器下甚至连放在内存中的临时数据都不能指代。
当引用作为函数参数时，有时候很容易给它传递临时数据。
上节我们讲到，引用不能绑定到临时数据，这在大多数情况下是正确的，但是当使用 const 关键字对引用加以限定后，引用就可以绑定到临时数据了。下面的代码演示了引用和 const 这一对神奇的组合：
#include <iostream>
using namespace std;
typedef struct {
int a;
int b;
} S;
int func_int() {
int n = 100;
return n;
}
S func_s() {
S a;
a.a = 100;
a.b = 200;
return a;
}
S operator+(const S& A, const S& B) {
S C;
C.a = A.a + B.a;
C.b = A.b + B.b;
return C;
}
int main() {
int m = 100, n = 36;
const int& r1 = m + n;
const int& r2 = m + 28;
const int& r3 = 12 * 3;
const int& r4 = 50;
const int& r5 = func_int();
S s1 = { 23, 45 };
S s2 = { 90, 75 };
const S& r6 = func_s();
const S& r7 = s1 + s2;
cout<<"r1:"<<r1<<endl<<"r2:"<<r2<<endl<<"r3:"<<r3<<endl<<"r4:"<<r4<<endl
<<"r5:"<<r5<<endl<<"r6:"<<r6.a<<" "<<r6.b<<endl<<"r7:"<<r7.a<<" "<<r7.b<<endl;
return 0;
}
这是因为将常引用绑定到临时数据时，编译器采取了一种妥协机制：编译器会为临时数据创建一个新的、无名的临时变量，并将临时数据放入该临时变量中，然后再将引用绑定到该临时变量。注意，临时变量也是变量，所有的变量都会被分配内存。
为什么编译器为常引用创建临时变量是合理的，而为普通引用创建临时变量就不合理呢？
- 我们知道，将引用绑定到一份数据后，就可以通过引用对这份数据进行操作了，包括读取和写入（修改）；尤其是写入操作，会改变数据的值。而临时数据往往无法寻址，是不能写入的，即使为临时数据创建了一个临时变量(个人：这个临时变量保存在内存中)，那么修改的也仅仅是临时变量里面的数据，不会影响原来的数据(个人：可能保存在寄存器中，无法寻址)，这样就使得引用所绑定到的数据和原来的数据不能同步更新，最终产生了两份不同的数据，失去了引用的意义(个人：这个是从引用的语义角度来看)，以swap() 函数为例：
void swap(int &a, int &b){
int temp = a;
a = b;
b = temp;
}
如果编译器会为 a、b 创建临时变量，那么函数调用swap(10, 20)就是正确的，但是 10 不会变成 20，20 也不会变成 10，所以这种调用是毫无意义的。（个人：这里是从引用的实际应用的效果来看）
总起来说，不管是从“引用的语义”这个角度看，还是从“实际应用的效果”这个角度看，为普通引用创建临时变量都没有任何意义，所以编译器不会这么做。
- const 引用和普通引用不一样，我们只能通过 const 引用读取数据的值，而不能修改它的值，所以不用考虑同步更新的问题，也就不会产生两份不同的数据，为 const 引用创建临时变量反而会使得引用更加灵活和通用。以上节的 isOdd() 函数为例：
bool isOdd(const int &n){ //改为常引用
if(n/2 == 0){
return false;
}else{
return true;
}
}
这样，下面的函数调用就是正确的了，
int a = 100; isOdd(a); //正确 isOdd(a + 9); //正确 isOdd(27); //正确 isOdd(23 + 55); //正确
对于第 2 行代码，编译器不会创建临时变量，会直接绑定到变量 a；对于第 3~5 行代码，编译器会创建临时变量来存储临时数据。也就是说，编译器只有在必要时才会创建临时变量。
不同类型的数据占用的内存数量不一样，处理方式也不一样，指针的类型要与它指向的数据的类型严格对应。下面的例子演示了错误的指针使用方式：
int n = 100; int *p1 = &n; //正确 float *p2 = &n; //错误 char c = '@'; char *p3 = &c; //正确 int *p4 = &c; //错误
虽然 int 可以自动转换为 float，char 也可以自动转换为 int，但是float *类型的指针不能指向 int 类型的数据，int *类型的指针也不能指向 char 类型的数据。
为什么「编译器禁止指针指向不同类型的数据」是合理的呢？
以 int 类型的数据和float *类型的指针为例，我们让float *类型的指针强制指向 int 类型的数据，看看会发生什么。下面的代码演示了这一幕：
#include <cstdio>
using namespace std;
int main(){
int n = 100;
float *p = (float*)&n;
*p = 19.625;
printf("%d\n", n);
return 0;
}
将 float 类型的数据赋值给 int 类型的变量时，会直接截去小数部分，只保留整数部分，本例中将 19.626 赋值给 n，n 的值应该为 19 才对，这是我们通常的认知。但是本例的输出结果是一个毫无意义的数字，它与 19 没有任何关系，这颠覆了我们的认知。
虽然 int 和 float 类型都占用 4 个字节的内存，但是程序对它们的处理方式却大相径庭：
- 对于 int，程序把最高 1 位作为符号位，把剩下的 31 位作为数值位；
- 对于 float，程序把最高 1 位作为符号位，把最低的 23 位作为尾数位，把中间的 8 位作为指数位。
n 存储的二进制位是不变的，只是当以不同的形式展现出来的时候，我们看到的结果是不一样的。读者可以尝试通过printf("%f\n", *p);输出 n 的值，得到的结果就是 19.625000。
这里不能使用n,
让指针指向「相关的（相近的）但不是严格对应的」类型的数据，表面上看起来是合理的，但是细思极恐，这样会给程序留下很多意想不到的、难以发现的 Bug，所以编译器禁止这样做是非常合理的。当然，如果你想通过强制类型转换达到这个目的（如上例所示），那编译器也会放任不管，给你自由发挥的余地。
引用（Reference）和指针（Pointer）在本质上是一样的，引用仅仅是对指针进行了简单的封装，「类型严格一致」这条规则同样也适用于引用。下面的例子演示了错误的引用使用方式：
「类型严格一致」是为了防止发生让人匪夷所思的操作，但是这条规则仅仅适用于普通引用，当对引用添加 const 限定后，情况就又发生了变化，编译器允许引用绑定到类型不一致的数据。请看下面的代码：
当引用的类型和数据的类型不一致时，如果它们的类型是相近的，并且遵守「数据类型的自动转换」规则，那么编译器就会创建一个临时变量，并将数据赋值给这个临时变量（这时候会发生自动类型转换），然后再将引用绑定到这个临时的变量，这与「将 const 引用绑定到临时数据时」采用的方案是一样的。注意，临时变量的类型和引用的类型是一样的，在将数据赋值给临时变量时会发生自动类型转换。请看下面的代码：
float f = 12.45;
const int &r = f;
printf("%d", r);
该代码的输出结果为 12，说明临时变量和引用的类型都是 int（严格来说引用的类型是 int &），并没有变为 float。
当引用的类型和数据的类型不遵守「数据类型的自动转换」规则，那么编译器将报错，绑定失败，例如：
const char *和int两种类型没有关系，不能自动转换，这种引用就是错误的。
结合上节讲到的知识，总结起来说，给引用添加 const 限定后，不但可以将引用绑定到临时数据，还可以将引用绑定到类型相近的数据，这使得引用更加灵活和通用，它们背后的机制都是临时变量。
当引用作为函数参数时，如果在函数体内部不会修改引用所绑定的数据，那么请尽量为该引用添加 const 限制。
下面的例子演示了 const 引用的灵活性：
#include <cstdio>
using namespace std;
double volume(const double &len, const double &width, const double &hei){
return len*width*2 + len*hei*2 + width*hei*2;
}
int main(){
int a = 12, b = 3, c = 20;
double v1 = volume(a, b, c);
double v2 = volume(10, 20, 30);
double v3 = volume(89.4, 32.7, 19);
double v4 = volume(a+12.5, b+23.4, 16.78);
double v5 = volume(a+b, a+c, b+c);
printf("%lf, %lf, %lf, %lf, %lf\n", v1, v2, v3, v4, v5);
return 0;
}
概括起来说，将引用类型的形参添加 const 限制的理由有三个：
- 使用 const 可以避免无意中修改数据的编程错误；
- 使用 const 能让函数接收 const 和非 const 类型的实参，否则将只能接收非 const 类型的实参；
- 使用 const 引用能够让函数正确生成并使用临时变量。
