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在学习C语言时#xff0c;我们通常会遇到两个数交换的问题#xff0c;为了实现这一功能#xff0c;我们会编写一个经典的Swap函数#xff0c;如下所示#xff1a;
void Swap(int *a, int *b)
{int tmp *a;*a *b;*b tmp;
}
然而#xff0c;这个Swap函数看起来可…前言
在学习C语言时我们通常会遇到两个数交换的问题为了实现这一功能我们会编写一个经典的Swap函数如下所示
void Swap(int *a, int *b)
{int tmp *a;*a *b;*b tmp;
}
然而这个Swap函数看起来可能有些繁琐需要使用指针和解引用操作符。相比之下C引入了引用的概念使得代码更为简洁这两个函数还构成了函数重载哦
void Swap(int a, int b)
{int tmp a;a b;b tmp;
}
并且引用避免了直接操作指针和解引用的繁琐性调用时也更加直观如下所示
Swap(a, b);
虽然这个例子中看似只是减少了取地址的操作但引用的使用远不止于此。可能你这里会有点懵圈但没关系接下来我们将详细探讨引用。
注意本篇博客中的代码均基于包含头文件 iostream 并在使用命名空间 std 的前提下编写。 概念
引用不是新定义一个变量而是给已存在的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。比如在外面别人以你的名字来称呼你而在家中亲人以你的小名称呼你。
用法类型 名字 引用的变量(对象)名字
举个例子
int main()
{int a 10;int b a; // b 就是 a 的引用也就是 a 的别名return 0;
}这样就定义了一个引用。
int main()
{int a 10;int b a;cout a endl; // cout 会自动识别数据类型并输出cout b endl;b;cout a endl; // a 的值变成了 11return 0;
}
程序运行后可以发现 a 和 b 的地址相同证实了它们共用同一块内存空间进一步证明了编译器不会为引用变量单独分配内存。因此我们改变 b 的值其实就是改变 a 的值。 引用特性
int main()
{int b; // 报错int* p; // 可以return 0;
}
在 C 中引用在定义时必须进行初始化而指针则允许延迟初始化尽管这并不被推荐。
int main()
{int a 1;int b a; // b 是 a 的引用int c a; // c 也是 a 的引用int d b; // b 也可以有引用也就是说给别名取别名也是可以的// 这四个变量用的都是同一块内存空间return 0;
}
一个变量可以有多个引用同时也可以为引用取别名。
int main()
{int a 1;int b a;int c 2;b c; // 这里并不是改变引用的指向而是把 c 的值赋值给 b而 b 就是 acout a endl; // 所以 a 的值变成了 2int* p a;p c; // 而指针是可以改变指向的对象的return 0;
}
引用在被初始化后不能改变其引用的对象也就是不能改变引用的指向。以变量 a 被引用为例一旦变量 b 引用了 a就无法改变 b 引用的对象。与指针不同指针可以灵活地改变指向的对象因此在某些情境下指针仍然是不可或缺的。例如在数据结构中的链表结构如果用引用替代结构体中的 next 指针由于引用不能改变指向插入新节点时无法将新节点链接到原链表中试图强行改变引用会导致原节点的丢失。 常引用
int main()
{const int a 10;int b a; // 报错const int b a; // OK!!return 0;
}
在这段代码中变量 a 被 const 修饰后变成了常量也就意味着 a 的值是无法被修改的这时候如果让 b 引用 a那么 b 就具有修改 a 的权限这就出现了权限的放大显然是不合理的。为了解决这个问题我们可以将 b 也用 const 修饰这样 b 也变为常量实现了权限的平移。在C语言中被const 修饰的变量具有常属性不能修改但本质还是变量。而在C中被 const 修饰的变量则彻底成为常量。
int main()
{int a 10;const int b a;return 0;
}
在这里通过 const 修饰 b成功限制了通过 b 来修改 a 的值实现了权限的缩小。这个过程可以类比于 const 修饰指针可以限制指针的指向或者限制通过指针来修改指向对象的值。
int main()
{const int a 10;return 0;
}
同样道理这里的 10 是一个常量因此在引用它时应该使用 const 进行修饰。
int main()
{int a 1;double b a; // 报错return 0;
}
这里报错的原因也是与权限的放大有关。让我们首先回顾一下在 C 语言中学到的隐式类型转换。
int main()
{int a 1;double b a;return 0;
}
由于 a 和 b 的类型不同将 a 赋值给 b 时发生了隐式类型转换。在这个过程中并未改变变量 a 的类型而是创建了一个类型与 b 相同的临时变量来接收 a 的值然后将这个值赋给了 b。值得注意的是这个临时变量具有常属性因此不能被修改。该过程可通过下图表示
因此当执行 double b a; 时实际上相当于 double b tmp; 这引发了权限的放大因此我们只需使用 const 来修饰该引用即可。由此可见在定义引用时最好让引用类型和引用实体是同类型的否则需要使用 const 进行修饰这样会造成无法通过引用来修改对象的值。需要注意的是在发生类型转换时都会涉及一个具有常属性的临时变量。
下面我们再来看几个涉及临时变量的例子
int x 0;
size_t y 1;
if (x y)
{// ...
}
在这个比较中由于 x 的类型为 int而 y 的类型为 size_t所以会发生类型提升将 x 赋值给一个临时变量并且其类型与 y 一致。因此在比较时实际上是比较了两个相同类型的值。 需要注意的是在这种情况下如果 x 的值为负数可能会发生符号扩展。因为在将有符号整数 int 提升为无符号整数 size_t 时负数会变成一个非常大的正数这可能会影响比较的结果。
int* ptr (int*)i;
强制类型转换也是如此i 的类型并没有发生变换只是借助一个类型为 int* 的临时变量给 ptr 赋值。
int i 10000;
char ch i;在这个例子中由于 i 的值为 10000其范围超过了 char 类型的表示范围发生了截断。在这种情况下会创建一个类型为 char 的临时变量将 i 的值截断并赋给 ch。 引用的价值
引用的价值主要在于做参数和做返回值。首先引用作为函数参数时可以直接修改传递的实参同时提高了传参的效率。其次引用作为函数返回值时可以直接修改返回的值并且在传递返回值的过程中提高了效率。接下来我们将逐一介绍这两种用法。 做参数
我们在前言中改写的 Swap 函数就是引用做参数接下来看一下引用在单向链表结构中的应用
typedef struct SListNode
{struct SListNode* next;int val;
}SListNode;void SListPushBack(SListNode** pphead, int val)
{if (*pphead NULL){// ... // *pphead newnode;}else{// 找尾链接newnode// tail-next newnode;}
}
我们知道在单向链表中涉及到头节点的修改因此我们需要传入二级结构体指针。但是我们学习了引用之后就可以简化点了
typedef struct SListNode
{struct SListNode* next;int val;
}SListNode, * PSListNode;// PSListNode 就是节点指针类型
// SListNode* 等价于 PSListNode// 这里 phead 是传入的 头节点指针 的别名
void SListPushBack(PSListNode phead, int val)
{if (phead NULL){// ... // phead newnode;}else{// 找尾链接newnode// tail-next newnode;}
}
由于 phead 是 头节点的引用所以修改 phead 其实就是修改头节点。
引用作为函数参数有助于提升效率。在C语言中我们了解到函数的形参是实参的一份临时拷贝因此传递引用与传递指针一样都可以避免拷贝这一操作。 做返回值
首先来看普通的传值返回
int Count()
{int n 0;n;return n;
}
这里返回的是局部变量 n 的拷贝。在函数栈帧销毁前如果要返回的值比较小编译器可能会将其存储在寄存器中。然而对于较大的对象可能会使用堆栈或寄存器之间的其他内存空间例如在两个栈帧之间。这种传值返回的方式可能会导致效率下降特别是对于大型对象而言。
下面我们看一下传引用返回
int Count()
{int n 0;n;return n;// 这里返回的是n的别名相当于n
}int main()
{int ret Count(); // 把 n 这块内存空间的值赋值给 retcout ret endl;return 0;
}
在vs2019下程序运行后的结果是 1然而这是由于该编译器没有及时清理销毁的函数栈帧空间的缘故。这段代码存在悬空引用的问题。返回类型声明为 int表示返回一个整数的引用但函数内部的局部变量 n 在函数结束后会被销毁导致返回的引用指向一个不再有效的内存位置。尽管某些编译器可能未能检测到这种错误但这种行为是不安全的可能导致未定义的行为如这段程序的结果理应是随机值。为避免悬空引用问题应该避免返回对局部变量的引用。
再来看一个有趣的例子同样是返回对局部变量的引用
int Add(int a, int b)
{int n a b;return n;
}int main()
{int ret Add(1, 2);cout Add(1, 2) ret endl;Add(2, 3);cout Add(1, 2) ret endl;return 0;
}
这段代码中的 ret 是引用实际上它是指向函数 Add 中局部变量 n 那块空间但由于 n 是在函数栈上分配的其生命周期在函数调用结束时就结束了。因此ret 变成了一个悬挂引用指向已经释放的内存。这会导致未定义行为因为在第二次调用 Add 时编译器可能会复用第一次调用时的栈帧就是说使用第一次函数调用时开辟的变量 n 那块空间导致 ret 的值被修改为 5 。值得注意的是这里的结果可能是由于编译器优化策略导致的也就是vs2019没有及时清理销毁的栈帧空间。实际结果应该是不确定的随机值。
下面通过一个例子帮助大家更好地理解函数栈帧的复用
void func()
{int a 0;cout a endl;
}int main()
{func();func();return 0;
}
观察到两次调用该函数后打印的局部变量 a 的地址是相同的这证实了函数栈帧空间可以复用。在函数执行完成后函数的栈帧空间被释放但由于编译器的优化第二次调用函数时可以复用第一次调用时的栈帧因此局部变量 a 的地址保持一致。
总结一下函数运行时栈的分配和释放 在函数运行时系统会为该函数分配独立的栈空间用于存储函数的形参、局部变量以及一些寄存器信息等。这确保了函数之间的独立性每个函数都有自己的栈帧。当函数执行结束后该函数对应的栈空间会被系统回收这意味着该栈帧中的内存被标记为可用但并不是立即被清空。内存回收但内存仍在空间被回收指该块栈空间暂时不能使用但是内存还在。比如:在酒店开了一间房间时间到了之后要办理退房手续但是这个房间本身还在不是说退房后这个房间就没有了。 如果返回的对象是在函数作用域内创建的它的生命周期将在函数执行结束时终结。在这种情况下使用引用返回可能导致未定义的行为因为引用将指向已经被销毁的内存。因此在这种情况下引用作为返回值是没有意义的并可能导致程序错误得到的结果取决于编译器是否及时清理栈帧。相反如果返回值是存放在静态区或堆区的通过动态内存分配那么对象的生命周期不受函数作用域的限制。在这种情况下引用作为返回值是安全的并且可以提升效率。
int Add(int a, int b)
{static int c a b;return c;
}
由于变量 c 被 static 修饰因此它是静态局部变量出作用域不会销毁这时候返回对 c 的引用是安全的需要注意的是静态局部变量只在第一次调用函数时进行初始化后续调用函数时 c 的值不会改变。值得强调的是当我们在函数中定义一个静态局部变量时它实际上只是一个声明真正的内存空间分配和初始化则发生在第一次调用该函数时。如果程序在运行时没有执行包含该静态局部变量的函数系统将不会为该变量分配内存空间也不会执行初始化操作。
int Add(int a, int b)
{static int c;c a b;return c;
}
稍加改动就可以实现返回值随着参数的变化而变化了。
相对于传值返回在处理较大的返回值对象时传引用返回通常能够提高效率。这是因为传值返回涉及对返回对象的临时拷贝而传引用允许直接操作原对象避免了不必要的复制操作从而提升了性能。此外传引用返回在一些需要修改返回对象的场景中非常实用例如顺序表中的数据修改操作。 引用与指针
底层实现
从语法上来看引用就是一个别名没有独立空间和它引用的对象共用同一块空间。这一点我们在前面的例子中通过打印地址也能看到确实是一样的。但是从底层来看引用的实现方式和指针是一样的也就是说它其实是有空间的。
int main()
{int a 10;int* p a;int ref a;return 0;
}
这段代码的汇编代码如下图所示 可以看到都是有取地址这个指令的因此从底层来看引用是按照指针方式来实现的。但平时我们使用时就当引用是没有独立空间的即可。 不同之处
1. 引用概念上是定义一个变量的别名而指针则是存储一个变量的地址。 2. 引用在定义时必须初始化而指针则没有这个要求但需提防野指针问题。 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 中含义不同引用的大小为引用类型的大小而指针的大小始终是地址空间所占字节个数(32 位平台下通常是4个字节64 位平台下通常是8个字节) 6. 引用自加会使引用的实体增加1指针自加会使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而引用的访问由编译器自动处理 9. 相对而言引用的使用更安全前提是不要试图返回已销毁对象的引用。
