一、引用

首先我們來看一下引用的概念：

1.1引用的概念

引用不是新定義一個變量，而是給已存在變量取了一個別名，編譯器不會為引用變量開辟內(nèi)存空間，它和它引用的變量共用同一塊內(nèi)存空間。

類型& 引用變量名(對象名) = 引用實(shí)體；

1.1.1代碼展示

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int i = 0;
	int& k = i; // 這里的k就是變量i的引用，可以理解為k是i的一個別名
				//這里的k和i可以理解為同一個空間
	int j = i;//這里的j是一個全新的變量，是將變量i的值賦給了j

	cout << &i << endl;
	cout << &k << endl;
	cout << &j << endl;
	++k;
	++j;
	int& m = i;
	int& n = k;
	++n;
	return 0;
}

1.1.2圖示

我們可以結(jié)合上圖分析代碼，k是i的引用，可以理解為k是i的別名，就比如宋江和宋公明，名字看起來不一樣但是是同一個人，這里的k和i是同一個空間，k和i任何一個的變化都會影響另外一個變量的變化。

我們再來看一下三個變量的地址：

我們發(fā)現(xiàn)三個變量中i，k兩個變量的地址完全相同，所以說明k沒有實(shí)際開辟空間，只是i變量的一個別名而已。

我們在C語言中有一種特殊情況：二級指針，因?yàn)槲覀兌贾钡叫螀⒌母淖儾粫绊懙綄?shí)參，如果我們想在形參變化的時候讓實(shí)參也變化就得地址傳遞，操作同一塊空間，我們C++就可以利用引用來解決這一問題，我們直接讓形式參數(shù)是實(shí)參的別名就好。

注意：引用類型必須和引用實(shí)體是同種類型的

1.2引用的特性

• 引用在定義時必須初始化
• 一個變量可以有多個引用
• 引用一旦引用一個實(shí)體，再不能引用其他實(shí)體

void TestRef()
{
   int a = 10;
   // int& ra;   // 該條語句編譯時會出錯，因?yàn)闆]有初始化
   int& ra = a;
   int& rra = a;
   printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);  
}

1.3常引用

void TestConstRef()
{
    const int a = 10;
    //int& ra = a;   // 該語句編譯時會出錯，a為常量
    const int& ra = a;
    // int& b = 10; // 該語句編譯時會出錯，b為常量
    const int& b = 10;
    double d = 12.34;
    //int& rd = d; // 該語句編譯時會出錯，類型不同
    const int& rd = d;
}

1.4引用的使用場景

1.做參數(shù)

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

  做參數(shù)就是為了解決形參的改變不影響實(shí)參這個問題，我們在C語言中想要做到輸出型參數(shù)，就得利用指針來實(shí)現(xiàn)，但是在C++中我們就可以用引用做參數(shù)，我們的形參就是實(shí)參的別名，這里一旦形參發(fā)生了改變實(shí)參也會發(fā)生相應(yīng)的改變，也就是說這里是輸出型參數(shù)。

2.做返回值

int& Count()
{
   static int n = 0;
   n++;
   // ...
   return n;
}

我們先來看一下普通函數(shù)的調(diào)用：

但是我們再來分析一下下面的代碼：

如果還給了操作系統(tǒng)還使用傳引用返回，那么結(jié)果就是未定義的

1.5 傳值、傳引用效率比較

以值作為參數(shù)或者返回值類型，在傳參和返回期間，函數(shù)不會直接傳遞實(shí)參或者將變量本身直接返回，而是傳遞實(shí)參或者返回變量的一份臨時的拷貝，因此用值作為參數(shù)或者返回值類型，效率是非常低下的，尤其是當(dāng)參數(shù)或者返回值類型非常大時，效率就更低。
我們可以測試一下他們的效率：

1.值和引用的作為函數(shù)參數(shù)的性能比較：

#include <time.h>
struct A{ int a[10000]; };
void TestFunc1(A a){}
void TestFunc2(A& a){}
void TestRefAndValue()
{
 A a;
 // 以值作為函數(shù)參數(shù)
 size_t begin1 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
 TestFunc1(a);
 size_t end1 = clock();
 // 以引用作為函數(shù)參數(shù)
 size_t begin2 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
 TestFunc2(a);
 size_t end2 = clock();
// 分別計(jì)算兩個函數(shù)運(yùn)行結(jié)束后的時間
 cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
 cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

2. 值和引用的作為返回值類型的性能比較

#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()
{
 // 以值作為函數(shù)的返回值類型
 size_t begin1 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
 TestFunc1();
 size_t end1 = clock();
 // 以引用作為函數(shù)的返回值類型
 size_t begin2 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
 TestFunc2();
 size_t end2 = clock();
 // 計(jì)算兩個函數(shù)運(yùn)算完成之后的時間
 cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
 cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}

通過上述代碼的比較，發(fā)現(xiàn)傳值和指針在作為傳參以及返回值類型上效率相差很大。

1.6 引用和指針的區(qū)別

在語法概念上引用就是一個別名，沒有獨(dú)立空間，和其引用實(shí)體共用同一塊空間，

int main()
{
int a = 10;
int& ra = a;
cout<<"&a = "<<&a<<endl;
cout<<"&ra = "<<&ra<<endl;
return 0;
}

在底層實(shí)現(xiàn)上實(shí)際是有空間的，因?yàn)橐檬前凑罩羔樂绞絹韺?shí)現(xiàn)的。

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

我們來看下引用和指針的匯編代碼對比：

引用和指針的不同點(diǎn):

1. 引用概念上定義一個變量的別名，指針存儲一個變量地址。
2. 引用在定義時必須初始化，指針沒有要求
3. 引用在初始化時引用一個實(shí)體后，就不能再引用其他實(shí)體，而指針可以在任何時候指向任何
   一個同類型實(shí)體
4. 沒有NULL引用，但有NULL指針
5. 在sizeof中含義不同：引用結(jié)果為引用類型的大小，但指針始終是地址空間所占字節(jié)個數(shù)(32位平臺下占4個字節(jié))
6. 引用自加即引用的實(shí)體增加1，指針自加即指針向后偏移一個類型的大小
7. 有多級指針，但是沒有多級引用
8. 訪問實(shí)體方式不同，指針需要顯式解引用，引用編譯器自己處理
9. 引用比指針使用起來相對更安全

二、內(nèi)聯(lián)函數(shù)

2.1.內(nèi)聯(lián)函數(shù)的概念

  以inline修飾的函數(shù)叫做內(nèi)聯(lián)函數(shù)，編譯時C++編譯器會在調(diào)用內(nèi)聯(lián)函數(shù)的地方展開，沒有函數(shù)調(diào)用建立棧幀的開銷，內(nèi)聯(lián)函數(shù)提升程序運(yùn)行的效率。

注意：C++推薦用const和enum替代宏常量用inline去替代宏函數(shù)

  在c語言中宏是在預(yù)處理階段直接替換的，所以對于宏函數(shù)來說，是替換而不是調(diào)用，所以優(yōu)點(diǎn)就是可以節(jié)省時間，因?yàn)椴挥谜{(diào)用函數(shù)建立棧幀。

我們來看一下什么是宏函數(shù)：

#define ADD(x, y) ((x)+(y)) //這個就是宏函數(shù)

我們來解釋一下為什么它的形式是((x)+(y))

int main()
{
	ADD(1, 2) * 3; // ((1)+(2))*3;
	//上面就是解釋了為什么外面有一對括號
	int a = 1, b = 2;
	ADD(a | b, a & b); // ((a | b) + (a & b));;
	//這里就解釋了為什么x和y要單獨(dú)括起來
	return 0;
}

我們來看一下普通函數(shù)的調(diào)用在匯編代碼下的情況：

  如果在上述函數(shù)前增加inline關(guān)鍵字將其改成內(nèi)聯(lián)函數(shù)，在編譯期間編譯器會用函數(shù)體替換函數(shù)的調(diào)用。

查看方式：

• 在release模式下，查看編譯器生成的匯編代碼中是否存在call Add
• 在debug模式下，需要對編譯器進(jìn)行設(shè)置，否則不會展開(因?yàn)閐ebug模式下，編譯器默認(rèn)不會對代碼進(jìn)行優(yōu)化，以下給出vs2019的設(shè)置方式)

2.2內(nèi)聯(lián)函數(shù)的特性

1. inline是一種以空間換時間的做法，如果編譯器將函數(shù)當(dāng)成內(nèi)聯(lián)函數(shù)處理，在編譯階段，會用函數(shù)體替換函數(shù)調(diào)用，缺陷：可能會使目標(biāo)文件變大，優(yōu)勢：少了調(diào)用開銷，提高程序運(yùn)行效率。
2. inline對于編譯器而言只是一個建議，不同編譯器關(guān)于inline實(shí)現(xiàn)機(jī)制可能不同，一般建議：將函數(shù)規(guī)模較小(即函數(shù)不是很長，具體沒有準(zhǔn)確的說法，取決于編譯器內(nèi)部實(shí)現(xiàn))、不是遞歸、且頻繁調(diào)用的函數(shù)采用inline修飾，否則編譯器會忽略inline特性。
   《C++prime》第五版關(guān)于inline的建議：
   內(nèi)聯(lián)函數(shù)只是向編譯器發(fā)送的一個請求，編譯器可以忽略這個請求
   一般來說，內(nèi)聯(lián)機(jī)制用于優(yōu)化規(guī)模較小，流程直接，頻繁調(diào)用的函數(shù)，很多編譯器都不支持內(nèi)聯(lián)遞歸函數(shù)，而且一個75行的函數(shù)也不太可能在調(diào)用點(diǎn)內(nèi)聯(lián)的展開。
3. inline不建議聲明和定義分離，分離會導(dǎo)致鏈接錯誤。因?yàn)閕nline被展開，就沒有函數(shù)地址了，鏈接就會找不到

// F.h
#include <iostream>
using namespace std;
inline void f(int i);
// F.cpp
#include "F.h"
void f(int i)
{
 cout << i << endl;
}
// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{
 f(10);
 return 0;
}
// 鏈接錯誤：main.obj : error LNK2019: 無法解析的外部符號 "void __cdecl 
f(int)" (?f@@YAXH@Z)，該符號在函數(shù) _main 中被引用

總結(jié)

我們這篇博客主要涉及C++語言中的引用和內(nèi)聯(lián)函數(shù)，深入分析引用和內(nèi)聯(lián)函數(shù)中的很多細(xì)節(jié)問題，同時從底層匯編入手來分析引用和內(nèi)聯(lián)函數(shù)的底層原理~

到此這篇關(guān)于從底層入手搞定C++引用與內(nèi)聯(lián)函數(shù)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++引用與內(nèi)聯(lián)函數(shù)內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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