【C++篇】C++入门基础（二）

前言

话接上回，本文主要内容是讲解引用、内联函数、auto关键字、及指针空值nullptr的知识。其中引用尤为重要。

一、引用

引用弥补了指针的可读性差，复杂性。引用与指针结合使用，使得C++的功能尤为强大。

1. 引用概念

引用并非是定义一个新的变量，而是给已经存在的变量取了一个别名，好比你的损友给你取的外号。 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，有人叫他**“弼马温”，有人叫他“齐天大圣”，还有人叫他“孙行者”**。

使用格式： 类型+&+引用变量名 = 引用实体

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

代码运行后可以发现，它们的地址都是相同的，证明它们共用同一块内存空间。 💡：引用类型必须和引用实体是同种类型 否则编译器会报错。

2. 引用特性

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。也就是说，引用的对象不可改变（这是他与指针区别最大的特性）

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); 
}

代码运行后可以发现，它们的地址是相同的。

3. 使用场景

3.1 引用做参数

两个优势：

• 是输出型参数 作为形参，可以改变实参的参数就是输出型参数

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

可以看出，引用避免了多级指针的复杂性。

• 减少拷贝提高效率 对于大对象/深拷贝类对象，效果会更突出。 大对象是指令繁多的一个语句，比如一个调用一万次函数的一个循环语句：

for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
		TestFunc2(a);

深拷贝我目前还没有学到，未来我会讲解。本文知道深拷贝对象用引用做函数参数效率给好即可。

3.2 引用做返回值

两个优势：

• 减少拷贝提高效率（大对象/深拷贝类对象–什么是深拷贝以后会讲） 与4.1中的第二点同理
• 修改返回值+获取返回值 函数结束后，还可以修改函数的返回值。且获取返回值的功能依然保留。

// 错误样例：不能用引用
int& Count(int x)
{
	int n = x;
	n++;
	// ...
	return n;
}

// 正确样例：可以用引用
int& Count(int x)
{
	static int n = x;
	n++;
	// ...
	return n;
}

int main()
{
	int ret = Count();
	cout << ret << endl;

	return 0;
}

1. ret是n的别名，等价于：int& ret = n;。 因此，后续可以利用ret修改返回值n的值
2. 返回值不可让它在栈帧中创建，否则返回值将会丢失，得到的是随机值。可以创建在静态区等等。
   • 如果count函数结束，栈帧销毁，没有清理栈帧（再次调用其他函数就会覆盖此栈帧），那么ret的结果碰巧是正确的。
   • 如果count函数结束，栈帧销毁，清理栈帧，那么ret的结果是随机值。

3.3 总结（牢记）

1. 基本任何场景都可以用引用传参
2. 谨慎用引用做返回值，出了函数作用域，如果对象不存在了（如在栈帧中被销毁了），就不能用引用返回，还在就可以使用引用返回

4. 常引用

引用不可直接引用一个实体常量，需用const修饰

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;
}

引用过程中，权限只能平移或者缩小，不能放大

权限放大（错误）：

 const int a = 10;
 int& ra = a;  // 该语句编译时会出错，a为常量

值得注意的是，不同类型之间的隐式类型转换。

隐式类型转换的原理：创建一个临时变量，该临时变量是转换后的类型，将被转换的变量拷贝到临时变量，再将临时变量拷贝到目标变量中，完成类型转换。

临时变量有一个性质：具有常性 常性就是常量 看代码：

double d = 12.34;
int& rd = d; //这里的d是常量

所以隐式类型转换不可以转换为引用

5. 引用与指针的区别

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。

引用和指针的不同的：

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数
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

💡 ：不建议去背，理解就行

二、内联函数

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。

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。

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，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：

3. inline不能声明和定义分离，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。

3. 宏函数与内联函数

宏函数的优缺点：

• 优点：不需要建立栈帧，提高调用效率
• 缺点：复杂，容易出错、可读性差、不能调试

例如写一个Add宏函数：

#define Add(x, y) ((x)+(y))

大多数人稍不小心就出错了，因为这令人头疼的括号。

而内联函数可以避免这些问题

💡：默认debug模式下，inline不会起作用，否则就不方便调试了。

三、auto关键字

1. 类型别名思考

当我们程序中用到的类型复杂时：

1. 类型难于拼写
2. 含义不明确导致容易出错

聪明的读者可能已经想到：可以通过typedef给类型取别名。 使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef也会遇到新的难题：

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。

2. auto简介

auto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

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;
return 0;

typeid().name()是一个求数据类型的函数。

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 e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化

3. auto使用规则

1. auto与指针和引用结合使用 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&
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
}

4. auto不能推导的场景（易错）

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)
{}

1. auto不能直接用来声明数组

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

5. auto的范围for循环（语法糖）

5.1 范围for的语法

当我们要遍历一个数组时：

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

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

💡：与普通循环一样，continue与break都可以正常使用

5.2 范围for的使用条件

1. for循环迭代的范围必须是确定的

对于数组而言，就是数组中的第一个元素和最后一个元素的范围

错误示例：

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

int array[]等价于int* array 范围就只有第一个元素

2.迭代的对象要实现++和==的操作。

迭代器我还没有学😂，未来我会讲解的。

四、指针空值nullptr关键字

在C语言中，我们都用NULL来给指针设置空值

但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。

所以我们用NULL作为指针空值是不合理的

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。

C++入门基础完~