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C++引用10分钟入门教程

我们知道,参数的传递本质上是一次赋值的过程,赋值就是对内存进行拷贝。所谓内存拷贝,是指将一块内存上的数据复制到另一块内存上。

对于像 char、bool、int、float 等基本类型的数据,它们占用的内存往往只有几个字节,对它们进行内存拷贝非常快速。而数组、结构体、对象是一系列数据的集合,数据的数量没有限制,可能很少,也可能成千上万,对它们进行频繁的内存拷贝可能会消耗很多时间,拖慢程序的执行效率。

C/C++ 禁止在函数调用时直接传递数组的内容,而是强制传递数组指针,这点已在《C语言指针变量作为函数参数》中进行了讲解。而对于结构体和对象没有这种限制,调用函数时既可以传递指针,也可以直接传递内容;为了提高效率,我曾建议传递指针,这样做在大部分情况下并没有什么不妥,读者可以点击《C语言结构体指针》进行回顾。

但是在 C++ 中,我们有了一种比指针更加便捷的传递聚合类型数据的方式,那就是引用(Reference)
在 C/C++ 中,我们将 char、int、float 等由语言本身支持的类型称为基本类型,将数组、结构体、类(对象)等由基本类型组合而成的类型称为聚合类型(在讲解结构体时也曾使用复杂类型、构造类型这两种说法)。
引用(Reference)是 C++ 相对于C语言的又一个扩充。引用可以看做是数据的一个别名,通过这个别名和原来的名字都能够找到这份数据。引用类似于 Windows 中的快捷方式,一个可执行程序可以有多个快捷方式,通过这些快捷方式和可执行程序本身都能够运行程序;引用还类似于人的绰号(笔名),使用绰号(笔名)和本名都能表示一个人。

引用的定义方式类似于指针,只是用&取代了*,语法格式为:

type &name = data;

type 是被引用的数据的类型,name 是引用的名称,data 是被引用的数据。引用必须在定义的同时初始化,并且以后也要从一而终,不能再引用其它数据,这有点类似于常量(const 变量)。

下面是一个演示引用的实例:
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 99;
    int &r = a;
    cout << a << ", " << r << endl;
    cout << &a << ", " << &r << endl;

    return 0;
}
运行结果:
99, 99
0x28ff44, 0x28ff44

本例中,变量 r 就是变量 a 的引用,它们用来指代同一份数据;也可以说变量 r 是变量 a 的另一个名字。从输出结果可以看出,a 和 r 的地址一样,都是0x28ff44;或者说地址为0x28ff44的内存有两个名字,a 和 r,想要访问该内存上的数据时,使用哪个名字都行。

注意,引用在定义时需要添加&,在使用时不能添加&,使用时添加&表示取地址。如上面代码所示,第 6 行中的&表示引用,第 8 行中的&表示取地址。除了这两种用法,&还可以表示位运算中的与运算。

由于引用 r 和原始变量 a 都是指向同一地址,所以通过引用也可以修改原始变量中所存储的数据,请看下面的例子:
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 99;
    int &r = a;
    r = 47;
    cout << a << ", " << r << endl;

    return 0;
}
运行结果:
47, 47

最终程序输出两个 47,可见原始变量 a 的值已经被引用变量 r 所修改。

如果读者不希望通过引用来修改原始的数据,那么可以在定义时添加 const 限制,形式为:

const type &name = value;

也可以是:

type const &name = value;

这种引用方式为常引用

C++引用作为函数参数

在定义或声明函数时,我们可以将函数的形参指定为引用的形式,这样在调用函数时就会将实参和形参绑定在一起,让它们都指代同一份数据。如此一来,如果在函数体中修改了形参的数据,那么实参的数据也会被修改,从而拥有“在函数内部影响函数外部数据”的效果。

至于实参和形参是如何绑定的,我们将在下节《C++引用在本质上是什么,它和指针到底有什么区别?》中讲解,届时我们会一针见血地阐明引用的本质。

一个能够展现按引用传参的优势的例子就是交换两个数的值,请看下面的代码:
#include <iostream>
using namespace std;

void swap1(int a, int b);
void swap2(int *p1, int *p2);
void swap3(int &r1, int &r2);


int main() {
    int num1, num2;
    cout << "Input two integers: ";
    cin >> num1 >> num2;
    swap1(num1, num2);
    cout << num1 << " " << num2 << endl;

    cout << "Input two integers: ";
    cin >> num1 >> num2;
    swap2(&num1, &num2);
    cout << num1 << " " << num2 << endl;

    cout << "Input two integers: ";
    cin >> num1 >> num2;
    swap3(num1, num2);
    cout << num1 << " " << num2 << endl;

    return 0;
}

//直接传递参数内容
void swap1(int a, int b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

//传递指针
void swap2(int *p1, int *p2) {
    int temp = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = temp;
}

//按引用传参
void swap3(int &r1, int &r2) {
    int temp = r1;
    r1 = r2;
    r2 = temp;
}
运行结果:
Input two integers: 12 34↙
12 34
Input two integers: 88 99↙
99 88
Input two integers: 100 200↙
200 100

本例演示了三种交换变量的值的方法:
1) swap1() 直接传递参数的内容,不能达到交换两个数的值的目的。对于 swap1() 来说,a、b 是形参,是作用范围仅限于函数内部的局部变量,它们有自己独立的内存,和 num1、num2 指代的数据不一样。调用函数时分别将 num1、num2 的值传递给 a、b,此后 num1、num2 和 a、b 再无任何关系,在 swap1() 内部修改 a、b 的值不会影响函数外部的 num1、num2,更不会改变 num1、num2 的值。

2) swap2() 传递的是指针,能够达到交换两个数的值的目的。调用函数时,分别将 num1、num2 的指针传递给 p1、p2,此后 p1、p2 指向 a、b 所代表的数据,在函数内部可以通过指针间接地修改 a、b 的值。我们在《C语言指针变量作为函数参数》中也对比过第 1)、2) 中方式的区别。

2) swap3() 是按引用传递,能够达到交换两个数的值的目的。调用函数时,分别将 r1、r2 绑定到 num1、num2 所指代的数据,此后 r1 和 num1、r2 和 num2 就都代表同一份数据了,通过 r1 修改数据后会影响 num1,通过 r2 修改数据后也会影响 num2。

从以上代码的编写中可以发现,按引用传参在使用形式上比指针更加直观。在以后的 C++ 编程中,我鼓励读者大量使用引用,它一般可以代替指针(当然指针在C++中也不可或缺),C++ 标准库也是这样做的。

C++引用作为函数返回值

引用除了可以作为函数形参,还可以作为函数返回值,请看下面的例子:
#include <iostream>
using namespace std;

int &plus10(int &r) {
    r += 10;
    return r;
}

int main() {
    int num1 = 10;
    int num2 = plus10(num1);
    cout << num1 << " " << num2 << endl;

    return 0;
}
运行结果:
20 20

在将引用作为函数返回值时应该注意一个小问题,就是不能返回局部数据(例如局部变量、局部对象、局部数组等)的引用,因为当函数调用完成后局部数据就会被销毁,有可能在下次使用时数据就不存在了,C++ 编译器检测到该行为时也会给出警告。

更改上面的例子,让 plus10() 返回一个局部数据的引用:
#include <iostream>
using namespace std;

int &plus10(int &r) {
    int m = r + 10;
    return m;  //返回局部数据的引用
}

int main() {
    int num1 = 10;
    int num2 = plus10(num1);
    cout << num2 << endl;
    int &num3 = plus10(num1);
    int &num4 = plus10(num3);
    cout << num3 << " " << num4 << endl;

    return 0;
}
在 Visual Studio 下的运行结果:

20
-858993450 -858993450

GCC 下的运行结果:

20
30 30

在 C-Free 下的运行结果:

20
30 0

而我们期望的运行结果是:

20
20 30

plus10() 返回一个对局部变量 m 的引用,这是导致运行结果非常怪异的根源,因为函数是在栈上运行的,并且运行结束后会放弃对所有局部数据的管理权,后面的函数调用会覆盖前面函数的局部数据。本例中,第二次调用 plus10() 会覆盖第一次调用 plus10() 所产生的局部数据,第三次调用 plus10() 会覆盖第二次调用 plus10() 所产生的局部数据。

关于函数调用的内部实现,我已在《C语言内存精讲》专题中讲到。

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