[C++] C++入门第二篇 -- 引用& -- 内联函数inline -- auto+for

爱被打了一巴掌 2023-10-14 07:48 10阅读 0赞

![c3a73c2c891f4ec6a905243909ecd23a.gif][]

**目录**

1、引用 -- &

1.1 引用的概念

1.2 引用特性

1.3 常引用 -- 权限问题

1.4 引用的使用场景

1.4.1 做参数

1.4.2 做返回值

注意

1.5 传值、传引用的效率比较

1.6 引用和指针的区别

2、内联函数

2.1 概念

转存失败重新上传取消编辑转存失败重新上传取消编辑2.2 特性

3、auto

3.1 auto简介

3.2 auto的使用细则

3.3 auto不能推导的场景

3.4 auto与for合用

--------------------

## 1、引用 -- & ##

### 1.1 引用的概念 ###

> **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**”。同一个人，只不过是两个名字。

> 语法： **类型& 引用变量名（对象名） = 引用实体；**

&是引用的符号，在C语言中&也表示取地址，还表示按位与，本质是运算符重载，运算符重载，一个符号会根据不同的场景，编译器会自己确定含义。

我们举例来看看&：

int main()
    {
    	int a = 10;
    	int& b = a;//定义引用类型
    	int& c = b;
    
    	cout << "a = " << a << "，地址：" << &a << endl;
    	cout << "b = " << b << "，地址：" << &b << endl;
    	cout << "c = " << c << "，地址：" << &c << endl;
    
    	return 0;
    }

运行结果：

![ed231804496d9ba242dded5b09234341.png][]

我们根据运行结果可以知道，a,b,c 指的是同一块内存空间。

注意：**引用类型**必须和引用**实体**是**同种类型**的。

### 1.2 引用特性 ###

> **引用有三个特性：**
> 
> **1.** **引用在****定义时必须初始化；**  
> **2. 一个变量可以有多个引用；**  
> **3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体。**

其实前两条我们理解记忆就好了：

1、引用是起别名，要有对象我们才能再去起别名，不存在对象给谁起别名；

2、一个小孩，妈妈可以叫他宝贝，爸爸可以叫他贝贝，爷爷也可以叫他狗蛋是吧，所以一个对象可以有多个别名（引用）。

我们对这三个用代码写一下看看：

![a263f7ca53d28e0b5a8677fd6f734cb4.png][]

### 1.3 常引用 -- 权限问题 ###

我们用代码来看：

int main()
    {
    	//1.权限放大
    	const int x = 10;
    	int& a = x;
    
    	return 0;
    }

我们来看看编译会不会出错：

![44c4ed1b6e9e6069643c38106217460d.png][]

这是因为，**在引用中，对原变量的引用权限不能放大。**

在这段代码中，x是const修饰的常变量，只能读取，不能修改。而a是int类型，针对类型来说，它是可以修改的。因此这就是权限放大，这是错误的。

我们继续往下看：

int main()
    {
        
    	//2.权限平移
    	const int i = 20;
    	const int& j = i;
    
    	//3.权限缩小
    	int z = 30;
    	const int& y = z;
    
    	return 0;
    }

我们看结果：

![d10955d3250ed272e961a7b8de5cb946.png][]

对于权限的平移，权限的缩小都是没有问题的，由此我们可以看出：在引用中，对于权限来说，平移、缩小都是没有问题的，唯独要注意的是：**权限不能放大。**

**特殊：**

我们再往下看：

![192e4a8eacaec05f267188399a553846.png][]

直接能看出来，对于引用来说不能初始化为常量，这也算是权限的放大。

![b148d288161b26287c09910e1d8e86c7.png][]

改为const修饰就不会报错了。

最后看一个：

![858f004027036fe89ccf18cd5908c3d7.png][]

**引用的时候，不同的类型直接引用是会出错的，本质原因是int类型赋给double类型存在隐式类型转换，生成一个临时变量（具有常性），因此需要加const修饰。**

### 1.4 引用的使用场景 ###

#### 1.4.1 做参数 ####

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

在C语言的时候，我们交换两个数我们使用指针来交换，而C++我们就可以使用引用来交换。

我们来测试一下：

![6b09361b5b1cac1c8a7c08bf47e67b54.png][]

#### 1.4.2 做返回值 ####

我们先来看一段代码：

int func()
    {
    	int n = 0;
    	n++;
    	return n;
    }
    int main()
    {
    	cout << func() << endl;
    
    	return 0;
    }

运行结果：

![2edcae02c33751e6fb898fe67f770f0f.png][]

这是是一个传值返回，我们来深究传值返回的过程：

![f3c49302dc62e283ff13b576c476276c.png][]

> 传值返回的时候会产生一个临时变量，跟传参一样，临时变量会先把n拷贝下来，然后再拷贝给函数调用，传值返回的类型其实是临时变量的类型，那么为什么要产生一个临时变量呢，直接返回n不香吗？

这是因为在函数调用的时候，功能函数会建立函数栈帧，而功能函数的每一条语句执行完后，函数栈帧会自动销毁，这时功能函数的整个函数体，包括函数体里的所有内容都随之销毁，返回的变量生命周期也就结束了。但是编译器在这里产生一个临时变量，要是小就用寄存器存储，将返回值拷贝给临时变量，再又临时变量拷贝给调用的函数，这就不会出错了。

有了上面的理解，我们再来看一段代码：

int& func()
    {
    	int n = 0;
    	n++;
    	return n;
    }
    int main()
    {
    	int& ret = func();
    	cout << ret << endl;
    	cout << ret << endl;
    
    	return 0;
    }

运行结果：

![1e0cb510424f9be0237834581f5c90bd.png][]

**此代码的返回值是int&，而传引用是给变量起别名，而在这里返回的是别名，调用完func函数，栈帧销毁了，但是空间还在（类似于订酒店，我退房了，但是房间还在，别人还可以使用），给n起了别名之后再去打印，还是操作的n的那块空间，那块空间可能被清理的，也有可能还没有清理，如果没清理，那块空间的值还是1，如果被清理了可能就是其他值了。**

![208665d0bc53c6d9c1095985940a2e70.png][]

#### 注意 ####

我们看上面的代码，在第二次打印的时候，n的值明显就不正确了，出了函数作用域，func函数被销毁了，我们再去访问那块空间的时候，就是非法访问了，这就是引用的一种野指针。

因此这里要**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。**

### 1.5 传值、传引用的效率比较 ###

我们用代码来测试一下：

#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 time:" << end1 - begin1 << endl;
    	cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
    }
    int main()
    {
    	TestRefAndValue();
    	return 0;
    }

运行结果：

![caf17f38e192e6a3ed198ebdbc6b76c8.png][]

#include <time.h>
    struct A { int a[10000]; };
    A a;
    // 值返回
    A TestFunc1() { return a; }
    // 引用返回
    A& TestFunc2() { return a; }
    void TestReturnByRefOrValue()
    {
    	// 以值作为函数的返回值类型
    	size_t begin1 = clock();
    	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
    		TestFunc1();
    	size_t end1 = clock();
    
    	// 以引用作为函数的返回值类型
    	size_t begin2 = clock();
    	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
    		TestFunc2();
    	size_t end2 = clock();
    
    	// 计算两个函数运算完成之后的时间
    	cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
    	cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
    }
    int main()
    {
    	TestReturnByRefOrValue();
    	return 0;
    }

运行结果：

![29915aab0f608312831ebc270f44a01f.png][]

我们看到无论是传参还是返回，传引用的效率明显要高于传值。

> **原因： 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。**

### 1.6 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。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。

int main()
    {
        int a = 10;
        
        int& ra = a;
        ra = 20;
        
        int* pa = &a;
        *pa = 20;
        
        return 0;
    }

我们来看引用和反汇编代码的对比：

![b1103dc11e9df3f067c6dc0d525bee2e.png][]

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**

## 2、内联函数 ##

### 2.1 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。

我们来看一下平常我们写的代码：

int Add(int x, int y)
    {
    	return x + y;
    }
    int main()
    {
    	int ret = 0;
    	ret = Add(1, 2);
    	return 0;
    }

![c320394812b6220ae1cb21ca2e306bb1.png][]

我们可以看到，这里是在调用函数，但是我们要是不断要用Add函数的时候，不断的调用效率会比较低，因此在C++中，我们引入了内联函数（inline）。

inline int Add(int x, int y)
    {
    	return x + y;
    }
    int main()
    {
    	int ret = 0;
    	ret = Add(1, 2);
    	return 0;
    }

![379975a7394146ff77a316cb7f7185a0.png][]

我们可以看到，加了inline变为内联函数后，就不再是调用了，直接用函数体替换了函数调用，不用开栈帧，可以提高效率。

看到这是不是想到，C++的内联函数像是C语言的宏。

**C++中的内联函数确实和C语言的宏用途是一样的，对于短小且频繁调用的函数，C语言用宏来代替函数，C++中用内联函数。**

**C++是全面兼容C语言的，我们直接用宏就可以了，那为什么我们还要使用内联函数呢？**

1、宏在写的时候容易出错，且没有类型的检查，还不能调试。

2、内联函数会对参数的类型进行检查，还可以调试，书写上就是正常的写功能函数，在返回值类型前加inline。

**如果想要看底层是调用还是直接展开的，查看方式：**  
1. 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add  
2. 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vs2019的设置方式)

![c4d123fc294c628e1dbe59bba6ca7584.png][]

###  ###

![208405b985d0ce4edf3e58afe20ee67a.png][]

![31f76e2575456d4553281f675911584d.png][]

### 2.2 特性 ###

> 1. 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。  
> 2. **inline对于编译器而言只是一个建议**，编译器会自动优化，如果内联函数内存在循环/递归的时候，编译器会自动优化忽略掉内联。（一般建议10行以内）
> 
> 3. inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline直接再调用处被展开，（不会出现在符号表中）就没有函数地址了，链接就会找不到。

对于第二点我们做一下实验：

inline int Add(int x, int y)
    {
    	int sum = x + y;
    	sum += x * y;
    	sum += x * y;
    	sum += x * y;
    	sum += x * y;
    	sum += x * y;
    	sum += x * y;
    	sum += x * y;
    	sum += x * y;
    	sum += x * y;
    	return sum;
    }
    int main()
    {
    	int ret = 0;
    	ret = Add(1, 2);
    	return 0;
    }

![7d74a4be9505e07b4a422dad521a0672.png][]

这里内联函数函数体一共写了十一行就算是函数调用了。

## 3、auto ##

### 3.1 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**。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。**

auto我们在C语言期间就接触过，C语言期间定义的局部变量默认是用auto修饰，因此我们在定义变量的时候从来不加auto，也就没人在意。但是到了C++11时期，auto有了新的身份，它可以自动推导类型。

我们来看一段代码，看看auto的自动推导类型：

int testAuto()
    {
    	return 1;
    }
    int main()
    {
    	int a = 0;
    	auto b = a;
    	auto c = 'c';
    	auto ret = testAuto();
    
    	cout << typeid(b).name() << endl;
    	cout << typeid(c).name() << endl;
    	cout << typeid(ret).name() << endl;
    
    	return 0;
    }

运行结果：

![b6686812b549fde13b0837b1e06e0c33.png][]

这段代码里面 **typeid(变量名).name()** 是推导变量类型的一个函数。

我们可以看到auto很智能，可以根据赋的值来推导类型。

> **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。**

### 3.2 auto的使用细则 ###

**1. 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&。**

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;
    
    	return 0;
    }

运行结果：

![001676e51e862791088bc93d301e82e1.png][]

**2. 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。**

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
    }

![a7cbe7b40e311b84fac79660ed524ec0.png][]

### 3.3 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)
    {}

![62091255be963af2b083e189d1d37042.png][]

**2. auto不能直接用来声明数组**

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

![0b8df7b46aef8acce0db594dcc580e9f.png][]

### 3.4 auto与for合用 ###

按照C语言我们的写法，遍历数组是下面的代码

int main()
    {
    	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
    		array[i] *= 2;
    	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
    		cout << array[i] << " ";
    	cout << endl;
    
    	return 0;
    }

运行结果：

![536134f25e9197092098f8368996bb5a.png][]

我们现在也可以使用auto这样来遍历数组：

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

运行结果：

![f2e6668d36d4c31fa947d2a34f1c0ffd.png][]

我们这里使用的是范围 for **，for循环后的括号由冒号”：“分为两个部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分表示迭代的范围。这里会自动判断结束的。**

这里的e是取到数组里的元素，然后打印，不会影响数组元素。

**如果想改变数组元素，我们可以使用auto& e，这是对数组元素起别名，直接改变数组元素，auto取到元素后会自动推导类型的。如下：**

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

运行结果：

![4e9222df7c8d7be92224a4d67dd04a4e.png][]

我们可以看到结果，这样写就把数组元素改了。

[c3a73c2c891f4ec6a905243909ecd23a.gif]: https://img-blog.csdnimg.cn/c3a73c2c891f4ec6a905243909ecd23a.gif
[ed231804496d9ba242dded5b09234341.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/ed231804496d9ba242dded5b09234341.png
[a263f7ca53d28e0b5a8677fd6f734cb4.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/a263f7ca53d28e0b5a8677fd6f734cb4.png
[44c4ed1b6e9e6069643c38106217460d.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/44c4ed1b6e9e6069643c38106217460d.png
[d10955d3250ed272e961a7b8de5cb946.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/d10955d3250ed272e961a7b8de5cb946.png
[192e4a8eacaec05f267188399a553846.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/192e4a8eacaec05f267188399a553846.png
[b148d288161b26287c09910e1d8e86c7.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/b148d288161b26287c09910e1d8e86c7.png
[858f004027036fe89ccf18cd5908c3d7.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/858f004027036fe89ccf18cd5908c3d7.png
[6b09361b5b1cac1c8a7c08bf47e67b54.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/6b09361b5b1cac1c8a7c08bf47e67b54.png
[2edcae02c33751e6fb898fe67f770f0f.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/2edcae02c33751e6fb898fe67f770f0f.png
[f3c49302dc62e283ff13b576c476276c.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/f3c49302dc62e283ff13b576c476276c.png
[1e0cb510424f9be0237834581f5c90bd.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/1e0cb510424f9be0237834581f5c90bd.png
[208665d0bc53c6d9c1095985940a2e70.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/208665d0bc53c6d9c1095985940a2e70.png
[caf17f38e192e6a3ed198ebdbc6b76c8.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/caf17f38e192e6a3ed198ebdbc6b76c8.png
[29915aab0f608312831ebc270f44a01f.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/29915aab0f608312831ebc270f44a01f.png
[b1103dc11e9df3f067c6dc0d525bee2e.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/b1103dc11e9df3f067c6dc0d525bee2e.png
[c320394812b6220ae1cb21ca2e306bb1.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/c320394812b6220ae1cb21ca2e306bb1.png
[379975a7394146ff77a316cb7f7185a0.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/379975a7394146ff77a316cb7f7185a0.png
[c4d123fc294c628e1dbe59bba6ca7584.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/c4d123fc294c628e1dbe59bba6ca7584.png
[208405b985d0ce4edf3e58afe20ee67a.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/208405b985d0ce4edf3e58afe20ee67a.png
[31f76e2575456d4553281f675911584d.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/31f76e2575456d4553281f675911584d.png
[7d74a4be9505e07b4a422dad521a0672.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/7d74a4be9505e07b4a422dad521a0672.png
[b6686812b549fde13b0837b1e06e0c33.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/b6686812b549fde13b0837b1e06e0c33.png
[001676e51e862791088bc93d301e82e1.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/001676e51e862791088bc93d301e82e1.png
[a7cbe7b40e311b84fac79660ed524ec0.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/a7cbe7b40e311b84fac79660ed524ec0.png
[62091255be963af2b083e189d1d37042.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/62091255be963af2b083e189d1d37042.png
[0b8df7b46aef8acce0db594dcc580e9f.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/0b8df7b46aef8acce0db594dcc580e9f.png
[536134f25e9197092098f8368996bb5a.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/536134f25e9197092098f8368996bb5a.png
[f2e6668d36d4c31fa947d2a34f1c0ffd.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/f2e6668d36d4c31fa947d2a34f1c0ffd.png
[4e9222df7c8d7be92224a4d67dd04a4e.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/4e9222df7c8d7be92224a4d67dd04a4e.png