【C++】引用之带你“消除”C语言版数据结构教材的一些困惑（虽然是C++的内容，但是强烈建议正在学习数据结构的同学点进来看看）

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目录

前言

引用的概念

引用的特性

引用的使用场景

引用和指针的区别

C语言版数据结构教材的解惑

前言

不知道你有没有这样的经历，在学习数据结构的时候，教材中有一个地方总是搞不明白，如下图：

• 我记得当时我问过老师：《这是引用，你只要记得只要这个值被改变了，就加上它&》

我也没有继续探索，导致我数据结构阶段虽然考试成绩还行，但是还是😭蒙蒙的状态😭

直到今天，我学习了引用，我才知道为什么要这么用。

🌐🌐🌐希望这篇文章可以让遇到同样困惑的你得到解答🌐🌐🌐

🔯那就让我们赶紧进入引用的学习吧🔯

欢迎大家📂收藏📂以便未来做题时可以快速找到思路，巧妙的方法可以事半功倍。

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GITEE相关代码：🌟fanfei_c的仓库🌟

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1.引用的概念

引用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：孙悟空，别名齐天大圣、美猴王等等，这些别名都指的是孙悟空。

用法：

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

我们说引用与它引用的变量共用同一快内存空间，那么他们的地址就是相同的，如图：

注意：引用类型必须和引用实体时同种类型的。 

2.引用的特性

• 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（引用不能改变指向）

了解了以上三条特性，请思考：引用能够替代指针么？

在C++中，引用不能替代指针，因为引用不能改变指向，而指针可以。

在JAVA中，引用可以改变指向。

有关常引用：

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;
}

👀如果上面的例子你有疑问，下面是疑惑解答👀

1-2、4行：我们知道常变量是不可修改的，既然常变量不可修改，我们将常变量取别名就失去了引用的意义和价值。

3、5行：这里ra为常引用，既然a是常变量，那么我们将常引用与之匹配不就刚好可以了么。

7行：略。

8行：我们知道将双精度浮点型赋值给整型会发生截断，但类型转换时，底层不是直接将自身的类型改变，而是会生成一个临时变量，此时这个临时变量具有常属性，所以此时常引用rd就可以指向d了。

3.引用的使用场景

1.做参数

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

int main()
{
	int a, b;
	Swap(a, b);
	return 0;
}

这也是数据结构教材中的用法。

2.做返回值 

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

这里我们着重讨论一下做返回值的用法：

细心的同学应该发下了这里n定义为静态变量了。

🚀请思考下为什么会这样做🚀

 我们观察下这段代码，这里返回的是n的引用。

假设不加static修饰n：

• 我们知道引用就相当于它本身，地址也是同一块空间。
• 当函数栈帧结束，出了作用域，返回对象n就销毁了，那返回n的引用就相当于返回的是已被销毁的那块地址的值，这个值是不确定的，因为已经还给操作系统了。
• 所以这里我们加上static修饰，使n存储在静态区，栈帧结束也不会被销毁，此时返回n的引用也就没有问题了。

另外：引用做返回值，可以修改引用对象。

int& Slat(SL* ps, int pos)
{
	return ps->a[pos];
}

int main()
{
	SL s;
	//...
	Slat(&s, 3) = 10;

	for (int i = 0; i < s.size; i++)
	{
		Slat(&s, i)++;
	}
	return 0;
}

如果没有引用，就会报错。

因为如果没引用，Slat(&s,3)或Slat(&s,i)返回值是常数，常量为右值不可修改。 

3.我们再来看另一个问题

🚀下面的代码输出什么结果，为什么🚀

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;
}

先看结果：

 这段代码启示我们空间是重复利用的。

函数栈帧创建又销毁，又创建又销毁，ret始终都指向那同一个位置，所以最后值一定是最后改变的7而不是3。

总结下：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。

4.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。

#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;
}

运行结果： 

5.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。

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

运行结果：

但实际上：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。 

底层中没有引用概念，和指针一样都是汇编代码实现的。

我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

总结下引用和指针的不同点：

1. 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
2. 引用在定义时必须初始化，指针没有要求。
3. 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。
4. 没有NULL引用，但有NULL指针。
5. 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)。
6. 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。
7. 有多级指针，但是没有多级引用。
8. 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。
9. 引用比指针使用起来相对更安全，注意不是绝对安全 。

✅看到这里，你一定理解了数据结构教材上让你蒙蒙的&符号了吧✅

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