【C++】C++入门概念（二）

引用

概念

引用不是新定义一个变量，而是给已存在变量取了一个别名，编译器不会为引用变量开辟内存空间，它和它引用的变量共用同一块内存空间。

比如：李逵，在家称为"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

cpp 复制代码

void TestRef()
{
    int a = 10;
    int& ra = a;//<====定义引用类型
    printf("%p\n", &a);
    printf("%p\n", &ra);
}

注意：引用类型 必须和引用实体 是同种类型的。

引用特性

引用在定义时必须初始化
一个变量可以有多个引用
引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

cpp 复制代码

void TestRef()
{
   int a = 10;
   // int& ra;   // 该条语句编译时会出错
   int& ra = a;
   int& rra = a;
   printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);  
}

常引用

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void TestConstRef()
{
    const int a = 10;
    
    //int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量
    const int& ra = a;
    
    // int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
    const int& b = 10;
    
    double d = 12.34;
    
    //int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
    const int& rd = d;
}

使用场景

做参数

cpp 复制代码

void Swap(int& left, int& right)
{
   int temp = left;
   left = right;
   right = temp;
}

做返回值

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int& Count()
{
   static int n = 0;
   n++;
   // ...
   return n;
}

下面代码输出什么结果？为什么？

cpp 复制代码

int& Add(int a, int b)
{
    int c = a + b;
    return c;
}
int main()
{
    int& ret = Add(1, 2);
    Add(3, 4);
    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
    return 0;
}

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在(还没还给系统)，则可以使用引用返回，如果已经还给系统了，则必须使用传值返回。

传值、传引用效率比较

以值作为参数或者返回值类型，在传参和返回期间，函数不会直接传递实参或者将变量本身直接返回，而是传递实参或者返回变量的一份临时的拷贝，因此用值作为参数或者返回值类型，效率是非常低下的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。

cpp 复制代码

#include <time.h>
struct A{ int a[10000]; };
void TestFunc1(A a){}
void TestFunc2(A& a){}
void TestRefAndValue()
{
 A a;
 // 以值作为函数参数
 size_t begin1 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
 TestFunc1(a);
 size_t end1 = clock();
 // 以引用作为函数参数
 size_t begin2 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
 TestFunc2(a);
 size_t end2 = clock();
// 分别计算两个函数运行结束后的时间
 cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
 cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

引用和指针的区别

在语法概念上引用就是一个别名，没有独立空间，和其引用实体共用同一块空间。

cpp 复制代码

int main()
{
int a = 10;
int& ra = a;
cout<<"&a = "<<&a<<endl;
cout<<"&ra = "<<&ra<<endl;
return 0;
}

在底层实现上实际是有空间的，因为引用是按照指针方式来实现的。

cpp 复制代码

int main()
{
int a = 10;

int& ra = a;
ra = 20;

int* pa = &a;
*pa = 20;

return 0;
}

我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

引用和指针的不同点:

引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
引用在定义时必须初始化，指针没有要求
引用在初始化时引用一个实体后，就不能再引用其他实体，而指针可以在任何时候指向任何一个同类型实体
没有NULL引用，但有NULL指针
在sizeof中含义不同：引用结果为引用类型的大小，但指针始终是地址空间所占字节个数(32位平台下占4个字节)
引用自加即引用的实体增加1，指针自加即指针向后偏移一个类型的大小
有多级指针，但是没有多级引用
访问实体方式不同，指针需要显式解引用，引用编译器自己处理
引用比指针使用起来相对更安全

内联函数

概念

以inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数，在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。

查看方式：

在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则不会展开(因为debug模式下，编译器默认不会对代码进行优化，以下给出vs2013的设置方式)

特性

inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，

缺陷：可能会使目标文件变大，

优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。

下图为《C++prime》第五版关于inline的建议：
inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址了，链接就会找不到。

cpp 复制代码

// F.h
#include <iostream>
using namespace std;
inline void f(int i);

// F.cpp
#include "F.h"
void f(int i)
{
 cout << i << endl;
}

// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{
 f(10);
 return 0;
}
// 链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 "void __cdecl f(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用

面经

宏的优缺点？

优点：

增强代码的复用性。
提高性能。
缺点：
不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
导致代码可读性差，可维护性差，容易误用。
没有类型安全的检查。

C++有哪些技术替代宏？

常量定义换用const enum
短小函数定义换用内联函数

auto关键字(C++11)

类型别名思考

随着程序越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，经常体现在：

类型难于拼写
含义不明确导致容易出错

cpp 复制代码

#include <string>
#include <map>
int main()
{
 std::map<std::string, std::string> m
 { 
 	{ "apple", "苹果" }, { "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} 
 };
 
 std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();
 
 while (it != m.end())
 {
 //....
 }
 
 return 0;
}

std::map<std::string, std::string>::iterator 是一个类型，但是该类型太长了，特别容

易写错。聪明的同学可能已经想到：可以通过typedef给类型取别名，比如：

cpp 复制代码

#include <string>
#include <map>
typedef std::map<std::string, std::string> Map;
int main()
{
 Map m{ { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} };
 Map::iterator it = m.begin();
 while (it != m.end())
 {
 //....
 }
 return 0;
}

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef有会遇到新的难题：

cpp 复制代码

typedef char* pstring;
int main()
{
 const pstring p1;    // 编译成功还是失败？
 const pstring* p2;   // 编译成功还是失败？
 return 0;
}

在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的类型。然而有时候要做到这点并非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义。

auto简介

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，但遗憾的是一直没有人去使用它.

C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器 ，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

cpp 复制代码

int TestAuto()
{
	return 10;
}
int main()
{
	int a = 10;
	auto b = a;
	auto c = 'a';
	auto d = TestAuto();
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << typeid(d).name() << endl;
	//auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化
	return 0;
}

注意:

使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型。因此auto并非是一种"类型"的声明，而是一个类型声明时的"占位符"，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

auto的使用细则

auto与指针和引用结合起来使用
用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&

cpp 复制代码

int main()
{
    int x = 10;
    auto a = &x;
    auto* b = &x;
    auto& c = x;
    cout << typeid(a).name() << endl;
    cout << typeid(b).name() << endl;
    cout << typeid(c).name() << endl;
    *a = 20;
    *b = 30;
     c = 40;
    return 0;
}

在同一行定义多个变量
当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

cpp 复制代码

void TestAuto()
{
    auto a = 1, b = 2; 
    auto c = 3, d = 4.0;  // 该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同
}

auto不能推导的场景

auto不能作为函数的参数

cpp 复制代码

// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{}

auto不能直接用来声明数组

cpp 复制代码

void TestAuto()
{
    int a[] = {1,2,3};
    auto b[] = {4，5，6};
}

为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法
auto在实际中最常见的优势用法就是跟C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用。

9. 基于范围的for循环(C++11)

范围for的语法

在C++98中如果要遍历一个数组，可以按照以下方式进行：

cpp 复制代码

void TestFor()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };

for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
     array[i] *= 2;
     
for (int* p = array; p < array + sizeof(array)/ sizeof(array[0]); ++p)
     cout << *p << endl;
     
}

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。

因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号" ："分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。

cpp 复制代码

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for(auto& e : array)
	     e *= 2;
	for(auto e : array)
	     cout << e << " ";
	return 0;
}

注意：与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

范围for的使用条件

for循环迭代的范围必须是确定的
对于数组而言，就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供
begin和end的方法，begin和end就是for循环迭代的范围。
注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定.

cpp 复制代码

void TestFor(int array[])
{
    for(auto& e : array)
        cout<< e <<endl;
}

迭代的对象要实现++和==的操作。

指针空值nullptr(C++11)

C++98中的指针空值

在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：

cpp 复制代码

void TestPtr()
{
	int* p1 = NULL;
	int* p2 = 0;
	// ......
}

NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

cpp 复制代码

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL   0
#else
#define NULL   ((void *)0)
#endif
#endif

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0 ，或者被定义为无类型指针(void*)的常量。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如：

cpp 复制代码

void f(int)
{
 cout<<"f(int)"<<endl;
}
void f(int*)
{
 cout<<"f(int*)"<<endl;
}
int main()
{
 f(0);
 f(NULL);
 f((int*)NULL);
 return 0;
}

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。

在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void *)0。

注意：

在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。
在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。