书接上回：【C++】入门（一）：命名空间、缺省参数、函数重载
六、引用
引用的概念
引用就是给已经存在的变量 取别名。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。
引用的使用场景
1. 引用做参数
作用1：输出型参数
学习C的时候 写Swap()函数 通过传实参地址的方式，使用指针交换两个变量里面的值 。而加入引用这个语法，则通过别名的方式 交换两个变量里面的值。
void Swap(int* a, int *b)
{
//...
}
void Swap(int& a, int &b)
{
int tmp = a;
a = b;
b = tmp;
}
int main()
{
int x = 0, y = 1;
Swap(&x, &y);
Swap(x, y);
return 0;
}
作用2：对象比较大，减少拷贝，提高效率
对象较大的情况下，对比传值传参 和 传引用传参 的代码效率
#include <time.h>
#include<iostream>
using namespace std;
struct A { int a[10000]; };
void TestFunc1(A a) {}
void TestFunc2(A& a) {}
void main()
{
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;
}
我们可以看到一个40000字节的对象，分别使用传值传参、传引用传参，且传参次数10000次。两种传参方式使用的时间有一定差异。引用作为函数参数 消耗的时间小于1 ms,所以是0。
总结：这些使用场景，指针也可以适应，但是引用更方便
2. 引用作为返回值
错误示范
- 一般情况
1️⃣ 被调函数传值返回。 返回a的拷贝 寄存在寄存器里的临时空间 函数栈帧销毁之前 这块要返回的临时空间就已经生成好了
int func()
{
int a = 0;
return a;
}
int main()
{
int ret = func();
cout << ret << endl;
return 0;
}
- 错误使用引用的情况
2️⃣ 被调函数func传引用返回。 返回a的别名 但函数调用结束，栈帧销毁，a的别名还在访问这个空间——野引用。
int& func()
{
int a = 0;
return a;
}
int main()
{
int ret = func();
cout << ret << endl;
return 0;
}
3️⃣被调函数传引用返回 ，主函数引用接收。返回a的别名、用a的别名接收，意味着ret也是a的别名，但栈帧结束，变量a已经被销毁了，ret还回去访问那块空间，所以ret是野引用。
int& func()
{
int a = 0;
return a;
}
int main()
{
int& ret = func();
cout << ret << endl;
return 0;
}
结论：返回变量出了函数作用域就生命周期就结束了，所以不能用引用返回
正确示范
什么情况下，可以用引用返回？
答：全局变量、静态变量、堆上变量 可以用引用返回
🌰 实际场景中的例子：
使用引用语法修改用C语言写的链表
struct SeqList
{
int* a;
int size;
int capacity;
};
void SLInit(SeqList& sl)
{
sl.a = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
// ..
sl.size = 0;
sl.capacity = 4;
}
void SLPushBack(SeqList& sl, int x)
{
//...扩容
sl.a[sl.size++] = x;
}
// 修改
void SLModity(SeqList& sl, int pos, int x)
{
assert(pos >= 0);
assert(pos < sl.size);
sl.a[pos] = x;
}
int SLGet(SeqList& sl, int pos)
{
assert(pos >= 0);
assert(pos < sl.size);
return sl.a[pos];
}
int main()
{
SeqList s;
SLInit(s);
SLPushBack(s, 1);
SLPushBack(s, 2);
SLPushBack(s, 3);
SLPushBack(s, 4);
for (int i = 0; i < s.size; i++)
{
cout << SLGet(s, i) << " ";
}
cout << endl;
for (int i = 0; i < s.size; i++)
{
int val = SLGet(s, i);
if (val % 2 == 0)
{
SLModity(s, i, val * 2);
}
}
cout << endl;
for (int i = 0; i < s.size; i++)
{
cout << SLGet(s, i) << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
演进为C++玩法的版本
C++中结构体中可以定义函数 ➡️ 类 成员变量 、 成员函数
// C++
struct SeqList
{
// 成员变量
int* a;
int size;
int capacity;
// 成员函数
void Init()
{
a = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
// ...
size = 0;
capacity = 4;
}
void PushBack(int x)
{
// ... 扩容
a[size++] = x;
}
// 读写返回变量
int& Get(int pos)
{
assert(pos >= 0);
assert(pos < size);
return a[pos];
}
int& operator[](int pos)
{
assert(pos >= 0);
assert(pos < size);
return a[pos];
}
};
int main()
{
SeqList s;
s.Init();
s.PushBack(1);
s.PushBack(2);
s.PushBack(3);
s.PushBack(4);
for (int i = 0; i < s.size; i++)
{
//cout << s.Get(i)<< " ";
cout << s[i] << " ";
//cout << s.operator[](i) << " ";
}
cout << endl;
for (int i = 0; i < s.size; i++)
{
/*if (s.Get(i) % 2 == 0)
{
s.Get(i) *= 2;
}*/
if (s[i] % 2 == 0)
{
s[i] *= 2;
}
}
cout << endl;
for (int i = 0; i < s.size; i++)
{
cout << s.Get(i) << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
3.总结引用的价值
1️⃣引用做参数
🅰️可以作为输出型参数 。🅱️对象较大，减少拷贝提高效率
2️⃣做返回值
🅰️修改返回对象。 🅱️减少拷贝提高效率
引用特性
引用必须初始化：定义的引用的时候就要确定该引用是谁的别名
引用定义后，不能改变指向
一个变量可以有多个引用 、多个别名
int main()
{
int a = 0;
// 1、引用必须初始化
//int& b;
// b = c;
// 2、引用定义后，不能改变指向
int& b = a;
int c = 2;
b = c; // 不是改变指向，而是赋值
// 3、一个变量可以有多个引用，多个别名
int& d = b;
return 0;
}
思考：引用可以替代指针吗？
答：引用不能完全替代指针，指针和引用的功能是类似的，C++的引用，对指针使用比较复杂的场景进行一些替换，让代码更简单易懂，但是不能完全替代指针，引用不能完全替代指针原因：引用定义后，不能改变指向
🌰引用不可以替代指针的栗子：
双向链表中，必须要改变指向，但引用不能改变指向。
🌰C++的引用 对指针使用比较复杂的场景 可以进行一些替换：
例如:
原来C语言 写链表头插入 实参传头节点指针 的 地址 。形参需要用二级指针接收。
void PushBack(struct Node* phead, int x)
{
// phead = newnode;
}
void PushBack(struct Node** pphead, int x)
{
// *pphead = newnode;
}
现在C++ 使用引用： 给指针类型的变量（头节点指针）取别名
void PushBack(struct Node*& phead, int x)
{
//phead = newnode;
}
int main()
{
struct Node* plist = NULL;
return 0;
}
📘杂七杂八的小知识点：数据结构教科书常见代码解读
//给 结构体 重命名为LNode
//给 结构体类型的指针 重命名为 PNode
typedef struct Node
{
struct Node* next;
struct Node* prev;
int val;
}LNode, *PNode;
//PNode& phead 给PNode变量（结构体类型的指针）取别名 phead
void PushBack(PNode& phead, int x)
{
//phead = newnode;
//给引用赋值相当于改变PushBack（）函数外面的链表头结点指针的指向
}
引用和指针的区别（面试题）
从两个维度对比 语法角度、底层角度对比
语法：
1. 引用是别名，不开空间。指针是地址，语法上需要开空间存储地址
2. 引用必须初始化 、指针可以初始化也可以不初始化。
3. 引用不可以改变指向、指针可以改变指向
4. 引用相对更安全 ，没有空引用、但是有空指针，容易出现野指针，不容易出现野引用
底层：
汇编层面上，没有引用，引用都是用指针实现的，引用编译后也转换成指针了。
调到反汇编调试观察：
结论：底层都需要开空间1、引用在底层是用指针实现的。2、语法含义和底层实现是背离的
常引用
由于引用存在一些隐患，所以我们可以加关键字const 使用常引用 。例如下面代码，对于变量b,它是a的别名，如果对引用b修改， 那么a的值就会改变。但是如果不希望a的值被修改，我们就可以给引用前面加上const 使得引用只有读取a的值的权限，但不能修改。例如，a的引用c就是这样的权限。
int main()
{
int a = 0;
//eg.1权限正常的引用
int &b =a;//b对a可读可写
b++;
//eg.2权限缩小
const int& c = a;//c对a只有读取权限
//eg.3权限放大(错误示范)
const int x = 10;
//int& y = x; //注意不能权限放大
//eg.4 权限平移(正确示范)
const int& y = x //y可以读取x的值
//eg.5
const int& z =10; //z是常量的别名
//eg.6
const int& m = a+x;// a+x表达式的返回值 是一个临时变量 临时变量具有常性
//eg.7 (错误示范)
int& n = a+x;
return 0;
}
七、内联函数
回顾：C语言如何避免函数频繁调用的问题？
➡️宏
面试题1：实现两个数相加的宏函数
#define Add(x,y) ((x)+(y))
易错点：1、宏不是函数 2、不要写分号 3、括号控制优先级
核心点：宏是预处理阶段进行替换
提问：为什么要加里面的括号？
答：因为x、y可能不是被单一变量所替换，而是其他表达式替换x、y ，防止表达式中的个别值先进性加法运算，从而运算符执行顺序和预期不符，导致运算结果错误。
面试题2：宏的优缺点
缺点：
1️⃣坑很多，不易控制 2️⃣ 不能调试 3️⃣没有安全类型的检查
优点：
增强代码复用性、提高效率
面试题3：C++有哪些技术替换宏？
- 常量定义 换用 const enum
- 短小函数定义 使用内联inline修饰
内联的概念
内联 : 在调用地方展开 。所指的展开就是：不建立栈帧，在当前函数的栈帧里执行要调用函数的代码
反汇编演示 具体是如何不建立栈帧展开的
思考：能不能为所有函数 都加上inline ？
不行 ，➡️ 内联函数的缺点
内联函数的缺点
使用内联🆚不使用内联
假设func()函数100 行代码，并且一共要调用1w次分别考虑使用内联 、不使用内联的情况合计起来有多少指令？
使用内联
假设inline展开，合计指令数目为：100*1w。意味着 最后的可执行程序会变得很大
解释：100行代码在1W个位置调用，那么1w个位置都会多出100行，所以就是100W行
不使用内联
假设inline不展开，合计指令数目：100+1w
解释：1W个位置调用 底层就会是汇编指令 call func（），call func（）后会从符号表找到这个函数的地址 然后去执行该函数的代码。
总结：由此可见，如果是代码量较大的函数 使用inline 内联展开调用的话，会造成代码膨胀。所以内联函数只适合加在代码量较小的函数上！
注意：
1.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、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。
2.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，链接就无法找到该函数。
为什么做声明和定义分离？
如果在头文件中进行函数定义，以下代码存在函数名重定义的问题。
问题分析：
Stack.cpp 包含了头文件 Test.cpp也包含了头文件。头文件的包含 在预处理阶段 会进行内容替换。也就是说Add()函数被定义两次。Stack.cpp Test.cpp 会分别产生Stack.o、Test.o。链接的时候 会把他们的符号表合并在一起，各自都有叫函数名修饰过的Add()函数，编译器就会认为函数重定义。
所以我们要做声明和定义分离！
//Stack.h
#progam once
#include<iostream>
using namespace std
int Add(int a,int b)
{
cout<<"int Add(int a,int b)"<<endl;
return a+b;
}
//Stack.cpp
#include"Stack.h"
//Test.cpp
#include"Stack.h"
int main()
{
Add(1,2);
return 0;
}
总结：解决重定义的方案？
1.声明和定义分离
2.Static，改变链接属性，该函数地址不会加入符号列表，只在当前文件可见。(适用于大函数)
3.使用内联函数，因为要在调用处展开，所以该函数地址也不会加入符号列表。（适用于小函数）
//Stack.h
#progam once
#include<iostream>
using namespace std
inline int Add(int a,int b)
{
cout<<"int Add(int a,int b)"<<endl;
return a+b;
}
//Stack.cpp
#include"Stack.h"
//Test.cpp
#include"Stack.h"
int main()
{
Add(1,2);
return 0;
}
八、auto关键字
简介
C++11规定，程序员使用auto关键字就可以不指定数据类型，编译器通过右边的值的类型自动推导出左边值的数据类型。使用auto关键字 必须初始化，因为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。
使用细则
1.auto与指针和引用结合起来使用
auto* 必须初始化为指针 ，auto声明引用类型时则必须加&
🌰栗子
auto p1 = &i
auto* p2 = &i;
//auto* p3 = i;//会报错
auto& r = a;
2.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
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
1、auto不能作为函数的参数
// 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)
{}
2、auto不能直接用来声明数组
void TestAuto()
{
int a[] = {1,2,3};
auto b[] = {4，5，6};
}
3、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
4、auto在实际中最常见的优势用法就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环，还有 lambda表达式等进行配合使用
九、基于范围的for循环(C++11)
依次取数组中值赋值给e，自动迭代，自动判断结束
for (auto e : array)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
十、指针空值nullptr(C++11)
C语言中 我们这样初始化指针：
int* p1 = NULL;
但在C++中， 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：
#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：类型匹配的问题
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：
1、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。
2、在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
3、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