C++ 中的引用

明朗晨光2023-12-12 15:16

文章目录

  • [C++ 引用的应用](#C++ 引用的应用)
    • [1. 修改函数中传递的参数](#1. 修改函数中传递的参数)
    • [2. 避免复制大型结构](#2. 避免复制大型结构)
    • [3. for 循环中修改所有对象](#3. for 循环中修改所有对象)
    • [4. for 循环中避免复制对象](#4. for 循环中避免复制对象)
  • [References vs Pointers](#References vs Pointers)
  • 引用的限制
  • 使用引用的优点
  • 练习
    • [Quesition 1](#Quesition 1)
    • [Question 2](#Question 2)
    • [Question 3](#Question 3)
    • [Question 4](#Question 4)
    • [Question 5](#Question 5)
    • [Question 6](#Question 6)

如果一个变量被声明为引用，那它就成了一个已有变量的别名。一个变量可以通过在声明的时候加 & 而成为引用。

此外，还可以将引用变量定义为一种类型，它可以作为另一个变量的引用。& 用于表示变量或任何内存的地址。与引用变量关联的变量，既可以通过变量名访问，也可以通过与之关联的引用变量访问。

语法：

cpp 复制代码 
data_type &ref = variable;

例子:

cpp 复制代码 
// C++ Program to demonstrate 
// use of references
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int x = 10;

	// ref is a reference to x.
	int& ref = x;

	// Value of x is now changed to 20
	ref = 20;
	cout << "x = " << x << '\n';

	// Value of x is now changed to 30
	x = 30;
	cout << "ref = " << ref << '\n';

	return 0;
}

输出：

shell 复制代码 
x = 20
ref = 30

C++ 引用的应用

C++中的引用有很多的应用，如下是其中的一些：

  1. 修改函数中传递的参数；
  2. 避免复制大型结构；
  3. for 循环中修改所有对象；
  4. for 循环中避免复制对象；

1. 修改函数中传递的参数

如果一个函数接收到了一个变量的引用，它可以修改这个变量的值。如下程序变量是使用引用交换的。

cpp 复制代码 
// C++ Program to demonstrate
// Passing of references as parameters
#include <iostream>
using namespace std;

// Function having parameters as
// references
void swap(int& first, int& second)
{
	int temp = first;
	first = second;
	second = temp;
}

// Driver function
int main()
{
	// Variables declared
	int a = 2, b = 3;

	// function called
	swap(a, b);

	// changes can be seen
	// printing both variables
	cout << a << " " << b;
	return 0;
}

输出：

shell 复制代码 
3 2

2. 避免复制大型结构

想象一下，一个函数必须接收一个大对象。如果我们没有使用引用来传递，那么它的一个新副本就会被创建，这回导致CPU时间和内存的浪费。可以使用引用来避免这种情况。

cpp 复制代码 
struct Student {
    string name;
    string address;
    int rollNo;
}

// If we remove & in below function, a new
// copy of the student object is created. 
// We use const to avoid accidental updates
// in the function as the purpose of the function
// is to print s only.
void print(const Student &s)
{
    cout << s.name << "  " << s.address << "  " << s.rollNo
         << '\n';
}

3. for 循环中修改所有对象

我们可以在每个循环中使用引用来修改所有元素。

cpp 复制代码 
// C++ Program for changing the
// values of elements while traversing
// using references
#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

// Driver code
int main()
{
	vector<int> vect{ 10, 20, 30, 40 };

	// We can modify elements if we
	// use reference
	for (int& x : vect) {
		x = x + 5;
	}

	// Printing elements
	for (int x : vect) {
		cout << x << " ";
	}
	cout << '\n';

	return 0;
}

输出：

shell 复制代码 
15 25 35 45

4. for 循环中避免复制对象

我们可以在每个循环中使用引用，以避免在对象很大时复制单个对象。

cpp 复制代码 
// C++ Program to use references
// For Each Loop to avoid the
// copy of objects
#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

// Driver code
int main()
{
	// Declaring vector
	vector<string> vect{ "geeksforgeeks practice",
						"geeksforgeeks write",
						"geeksforgeeks ide" };

	// We avoid copy of the whole string
	// object by using reference.
	for (const auto& x : vect) {
		cout << x << '\n';
	}

	return 0;
}

输出

shell 复制代码 
geeksforgeeks practice
geeksforgeeks write
geeksforgeeks ide

References vs Pointers

引用和指针都可以用于在一个函数中修改另一个函数的局部变量。当作为参数传递给函数或从函数返回时，它们都可以用来避免复制大对象，从而提高效率。尽管有上述相似之处，引用和指针之间还是有以下区别。

  1. 指针可以被声明为 void，但引用不可以

    cpp 复制代码 
    int a = 10;
void* aa = &a; // it is valid
void& ar = a;  // it is not valid

  2. 指针变量有n层/多层的间接，即单指针、双指针、三指针。然而，引用变量只有一个间接层次。下面的代码揭示了上述几点:

    cpp 复制代码 
    // C++ Program to demonstrate
// references and pointers
#include <iostream>
using namespace std;

// Driver Code
int main()
{
	// simple or ordinary variable.
	int i = 10;

	// single pointer
	int* p = &i;

	// double pointer
	int** pt = &p;

	// triple pointer
	int*** ptr = &pt;

	// All the above pointers differ in the value they store
	// or point to.
	cout << "i = " << i << "\t"
		<< "p = " << p << "\t"
		<< "pt = " << pt << "\t"
		<< "ptr = " << ptr << '\n';

	// simple or ordinary variable
	int a = 5;
	int& S = a;
	int& S0 = S;
	int& S1 = S0;

	// All the references do not differ in their
	// values as they all refer to the same variable.
	cout << "a = " << a << "\t"
		<< "S = " << S << "\t"
		<< "S0 = " << S0 << "\t"
		<< "S1 = " << S1 << '\n';

	return 0;
}

    输出：

    shell 复制代码 
    i = 10    p = 0x7ffecfe7c07c    pt = 0x7ffecfe7c080    ptr = 0x7ffecfe7c088
a = 5    S = 5    S0 = 5    S1 = 5

  3. 引用变量不能更新；

  4. 引用变量是一个内部指针；

  5. 引用变量的声明前面有&符号(但不要将其读作"address of")。

引用的限制

  1. 一个引用一旦被创建，它就不能再引用另一个对象；它不能被重置。这通常使用指针完成。
  2. 引用不能是NULL。指针经常用 NULL 来表示它没有指向任何有效的东西。
  3. 引用必须在声明的时候初始化，而指针没有该限制。

由于上面的限制，C++中的引用不能用于实现如链表、树等数据结构。Java 中，引用没有上述限制，可以用于实现所有的数据结构。Java不需要指针的主要原因是引用功能更强大。

使用引用的优点

  1. 更安全：由于引用必须初始化，所以像野指针这样的野引用不太可能存在。但仍然有可能存在不指向有效位置的引用（见下面练习中的第5和6题）
  2. 使用更方便 ：引用不需要解引用运算符来访问值。它们可以像普通变量一样使用。& 运算符只有在声明的时候需要。此外，对象引用的成员可以通过点运算符（.） 访问，而不像指针，需要箭头运算符（->） 才能访问成员。

除了上述原因，还有一些地方如拷贝构造函数不能使用指针。在拷贝构造函数中必须使用引用传递实参，类似地，重载某些运算符如++时必须使用引用。

练习

Quesition 1

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

int& fun()
{
	static int x = 10;
	return x;
}

int main()
{
	fun() = 30;
	cout << fun();
	return 0;
}

输出：

30

Question 2

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

int fun(int& x) { return x; }

int main()
{
	cout << fun(10);
	return 0;
}

输出：

shell 复制代码 
./3337ee98-ae6e-4792-8128-7c879288221f.cpp: In function 'int main()':
./3337ee98-ae6e-4792-8128-7c879288221f.cpp:8:19: error: invalid initialization of non-const reference of type 'int&' from an rvalue of type 'int'
     cout << fun(10);
                   ^
./3337ee98-ae6e-4792-8128-7c879288221f.cpp:4:5: note: in passing argument 1 of 'int fun(int&)'
 int fun(int& x) { return x; }

Question 3

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

void swap(char*& str1, char*& str2)
{
	char* temp = str1;
	str1 = str2;
	str2 = temp;
}

int main()
{
	char* str1 = "GEEKS";
	char* str2 = "FOR GEEKS";
	swap(str1, str2);
	cout << "str1 is " << str1 << '\n';
	cout << "str2 is " << str2 << '\n';
	return 0;
}

输出：

shell 复制代码 
str1 is FOR GEEKS
str2 is GEEKS

Question 4

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int x = 10;
	int* ptr = &x;
	int&* ptr1 = ptr;
}

输出：

shell 复制代码 
./18074365-ebdc-4b13-81f2-cfc42bb4b035.cpp: In function 'int main()':
./18074365-ebdc-4b13-81f2-cfc42bb4b035.cpp:8:11: error: cannot declare pointer to 'int&'
     int&* ptr1 = ptr;

Question 5

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int* ptr = NULL;
	int& ref = *ptr;
	cout << ref << '\n';
}

输出：

shell 复制代码 
timeout: the monitored command dumped core
/bin/bash: line 1:    34 Segmentation fault      timeout 15s ./372da97e-346c-4594-990f-14edda1f5021 < 372da97e-346c-4594-990f-14edda1f5021.in

Question 6

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

int& fun()
{
	int x = 10;
	return x;
}

int main()
{
	fun() = 30;
	cout << fun();
	return 0;
}

输出：

shell 复制代码 
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