深刻探讨C++中的引用

引用是C++引入的新语言特性，是C++经常使用的一个重要内容之一，正确、灵活地使用引用，可使程序简洁、高效。我在工做中发现，许多人使用它仅仅是想固然，在某些微妙的场合，很容易出错，究其起因，大多由于没有搞清本源。故在本篇中我将对引用进行详细讨论，但愿对你们更好地理解和使用引用起到抛砖引玉的做用。

　　 1、引用简介

　　引用就是某一变量（目标）的一个别名，对引用的操做与对变量直接操做彻底同样。

　　引用的声明方法：类型标识符 &引用名=目标变量名；

　　【例1】：int a; int &ra=a; //定义引用ra,它是变量a的引用，即别名

　　说明：

　　（1）&在此不是求地址运算，而是起标识做用。

　　（2）类型标识符是指目标变量的类型。

　　（3）声明引用时，必须同时对其进行初始化。

　　（4）引用声明完毕后，至关于目标变量名有两个名称，即该目标原名称和引用名，且不能再把该引用名做为其余变量名的别名。

　　 ra=1; 等价于 a=1;

　　（5）声明一个引用，不是新定义了一个变量，它只表示该引用名是目标变量名的一个别名，它自己不是一种数据类型，所以引用自己不占存储单元，系统也不给引用分配存储单元。故：对引用求地址，就是对目标变量求地址。&ra与&a相等。

　　（6）不能创建数组的引用。由于数组是一个由若干个元素所组成的集合，因此没法创建一个数组的别名。

　　 2、引用应用

　　一、引用做为参数

　　引用的一个重要做用就是做为函数的参数。之前的C语言中函数参数传递是值传递，若是有大块数据做为参数传递的时候，采用的方案每每是指针，由于这样能够避免将整块数据所有压栈，能够提升程序的效率。可是如今（C++中）又增长了一种一样有效率的选择（在某些特殊状况下又是必须的选择），就是引用。

　　【例2】：

void swap(int &p1, int &p2) //此处函数的形参p1, p2都是引用 
{ int p; p=p1; p1=p2; p2=p; }

　　为在程序中调用该函数，则相应的主调函数的调用点处，直接以变量做为实参进行调用便可，而不须要实参变量有任何的特殊要求。如：对应上面定义的swap函数，相应的主调函数可写为：

main( )
{ 
　int a,b;
　cin>>a>>b; //输入a,b两变量的值
　swap(a,b); //直接以变量a和b做为实参调用swap函数 
　cout<<a<< ' ' <<b; //输出结果 
}

　　上述程序运行时，若是输入数据10 20并回车后，则输出结果为20 10。

　　由【例2】可看出：

　　（1）传递引用给函数与传递指针的效果是同样的。这时，被调函数的形参就成为原来主调函数中的实参变量或对象的一个别名来使用，因此在被调函数中对形参变量的操做就是对其相应的目标对象（在主调函数中）的操做。

　　（2）使用引用传递函数的参数，在内存中并无产生实参的副本，它是直接对实参操做；而使用通常变量传递函数的参数，当发生函数调用时，须要给形参分配存储单元，形参变量是实参变量的副本；若是传递的是对象，还将调用拷贝构造函数。所以，当参数传递的数据较大时，用引用比用通常变量传递参数的效率和所占空间都好。

　　（3）使用指针做为函数的参数虽然也能达到与使用引用的效果，可是，在被调函数中一样要给形参分配存储单元，且须要重复使用"*指针变量名"的形式进行运算，这很容易产生错误且程序的阅读性较差；另外一方面，在主调函数的调用点处，必须用变量的地址做为实参。而引用更容易使用，更清晰。

　　若是既要利用引用提升程序的效率，又要保护传递给函数的数据不在函数中被改变，就应使用常引用。

　　二、常引用

　　常引用声明方式：const 类型标识符 &引用名=目标变量名；

　　用这种方式声明的引用，不能经过引用对目标变量的值进行修改,从而使引用的目标成为const，达到了引用的安全性。

　　【例3】：

int a ;
const int &ra=a;
ra=1; //错误
a=1; //正确

　　这不光是让代码更健壮，也有些其它方面的须要。

　　【例4】：假设有以下函数声明：

string foo( );
void bar(string & s);

　　那么下面的表达式将是非法的：

bar(foo( ));
bar("hello world");

　　缘由在于foo( )和"hello world"串都会产生一个临时对象，而在C++中，这些临时对象都是const类型的。所以上面的表达式就是试图将一个const类型的对象转换为非const类型，这是非法的。

　　引用型参数应该在能被定义为const的状况下，尽可能定义为const 。

　　三、引用做为返回值

　　要以引用返回函数值，则函数定义时要按如下格式：

类型标识符 &函数名（形参列表及类型说明）
{函数体}

　　说明：

　　（1）以引用返回函数值，定义函数时须要在函数名前加&

　　（2）用引用返回一个函数值的最大好处是，在内存中不产生被返回值的副本。

　　【例5】如下程序中定义了一个普通的函数fn1（它用返回值的方法返回函数值），另一个函数fn2，它以引用的方法返回函数值。

#include <iostream.h>
float temp; //定义全局变量temp
float fn1(float r); //声明函数fn1
float &fn2(float r); //声明函数fn2
float fn1(float r) //定义函数fn1，它以返回值的方法返回函数值
{ 
　temp=(float)(r*r*3.14); 
　return temp; 
}
float &fn2(float r) //定义函数fn2，它以引用方式返回函数值
{ 
　temp=(float)(r*r*3.14); 
　return temp;
}
void main() //主函数
{ 
　float a=fn1(10.0); //第1种状况，系统生成要返回值的副本（即临时变量）
　float &b=fn1(10.0); //第2种状况，可能会出错（不一样 C++系统有不一样规定）
　//不能从被调函数中返回一个临时变量或局部变量的引用
　float c=fn2(10.0); //第3种状况，系统不生成返回值的副本
　//能够从被调函数中返回一个全局变量的引用
　float &d=fn2(10.0); //第4种状况，系统不生成返回值的副本
　//能够从被调函数中返回一个全局变量的引用
　cout<<a<<c<<d;
}

　　引用做为返回值，必须遵照如下规则：

　　（1）不能返回局部变量的引用。这条能够参照Effective C++[1]的Item 31。主要缘由是局部变量会在函数返回后被销毁，所以被返回的引用就成为了"无所指"的引用，程序会进入未知状态。

　　（2）不能返回函数内部new分配的内存的引用。这条能够参照Effective C++[1]的Item 31。虽然不存在局部变量的被动销毁问题，可对于这种状况（返回函数内部new分配内存的引用），又面临其它尴尬局面。例如，被函数返回的引用只是做为一个临时变量出现，而没有被赋予一个实际的变量，那么这个引用所指向的空间（由new分配）就没法释放，形成memory leak。

　　（3）能够返回类成员的引用，但最好是const。这条原则能够参照Effective C++[1]的Item 30。主要缘由是当对象的属性是与某种业务规则（business rule）相关联的时候，其赋值经常与某些其它属性或者对象的状态有关，所以有必要将赋值操做封装在一个业务规则当中。若是其它对象能够得到该属性的很是量引用（或指针），那么对该属性的单纯赋值就会破坏业务规则的完整性。

　　（4）引用与一些操做符的重载：

　　流操做符<<和>>，这两个操做符经常但愿被连续使用，例如：cout << "hello" << endl;　所以这两个操做符的返回值应该是一个仍然支持这两个操做符的流引用。可选的其它方案包括：返回一个流对象和返回一个流对象指针。可是对于返回一个流对象，程序必须从新（拷贝）构造一个新的流对象，也就是说，连续的两个<<操做符其实是针对不一样对象的！这没法让人接受。对于返回一个流指针则不能连续使用<<操做符。所以，返回一个流对象引用是唯一选择。这个惟一选择很关键，它说明了引用的重要性以及无可替代性，也许这就是C++语言中引入引用这个概念的缘由吧。 赋值操做符=。这个操做符象流操做符同样，是能够连续使用的，例如：x = j = 10;或者(x=10)=100;赋值操做符的返回值必须是一个左值，以即可以被继续赋值。所以引用成了这个操做符的唯一返回值选择。

　　【例6】 测试用返回引用的函数值做为赋值表达式的左值。

#include <iostream.h>
int &put(int n);
int vals[10];
int error=-1;
void main()
{
put(0)=10; //以put(0)函数值做为左值，等价于vals[0]=10; 
put(9)=20; //以put(9)函数值做为左值，等价于vals[9]=20; 
cout<<vals[0]; 
cout<<vals[9];
} 
int &put(int n)
{
if (n>=0 && n<=9 ) return vals[n]; 
else { cout<<"subscript error"; return error; }
}

　　（5）在另外的一些操做符中，却千万不能返回引用：+-*/ 四则运算符。它们不能返回引用，Effective C++[1]的Item23详细的讨论了这个问题。主要缘由是这四个操做符没有side effect，所以，它们必须构造一个对象做为返回值，可选的方案包括：返回一个对象、返回一个局部变量的引用，返回一个new分配的对象的引用、返回一个静态对象引用。根据前面提到的引用做为返回值的三个规则，第二、3两个方案都被否决了。静态对象的引用又由于((a+b) == (c+d))会永远为true而致使错误。因此可选的只剩下返回一个对象了。

　　四、引用和多态

　　引用是除指针外另外一个能够产生多态效果的手段。这意味着，一个基类的引用能够指向它的派生类实例。

　　【例7】：

class 　A;
class 　B：public A{……};
B 　b;
A 　&Ref = b; // 用派生类对象初始化基类对象的引用

　　Ref 只能用来访问派生类对象中从基类继承下来的成员，是基类引用指向派生类。若是A类中定义有虚函数，而且在B类中重写了这个虚函数，就能够经过Ref产生多态效果。

　　 3、引用总结

　　（1）在引用的使用中，单纯给某个变量取个别名是毫无心义的，引用的目的主要用于在函数参数传递中，解决大块数据或对象的传递效率和空间不如意的问题。

　　（2）用引用传递函数的参数，能保证参数传递中不产生副本，提升传递的效率，且经过const的使用，保证了引用传递的安全性。

　　（3）引用与指针的区别是，指针经过某个指针变量指向一个对象后，对它所指向的变量间接操做。程序中使用指针，程序的可读性差；而引用自己就是目标变量的别名，对引用的操做就是对目标变量的操做。

　　（4）使用引用的时机。流操做符<<和>>、赋值操做符=的返回值、拷贝构造函数的参数、赋值操做符=的参数、其它状况都推荐使用引用。

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