【学习QT必备的C++基础】C++引用精讲，C++ &用法全面剖析

2023-05-16

文章目录

C++引用10分钟入门教程
- - C++引用作为函数参数
  - C++引用作为函数返回值
C++引用在本质上是什么，它和指针到底有什么区别？
- 引用和指针的其他区别
C++引用不能绑定到临时数据
- 什么样的临时数据会放到寄存器中
- 关于常量表达式
- 引用也不能指代临时数据
- 引用作为函数参数

引用是 C++ 的新增内容，在实际开发中会经常使用；C++ 用的引用就如同C语言的指针一样重要，但它比指针更加方便和易用，有时候甚至是不可或缺的。

同指针一样，引用能够减少数据的拷贝，提高数据的传递效率。

本专题不仅仅从语法层面讲解 C++ 引用，而是深入 C++ 引用的本质，让大家不但知其然，而且知其所以然。

C++引用10分钟入门教程

已剪辑自: http://c.biancheng.net/view/2251.html

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：

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。
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。
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

在 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。

C++引用在本质上是什么，它和指针到底有什么区别？

已剪辑自: http://c.biancheng.net/view/vip_2252.html

通过上节的讲解，相信各位读者对引用都有了一个概念上的认识，能够简单地使用引用编程了，但又感觉糊里糊涂，不明白它到底是什么，它和指针有点相似，但又不是一个东西。

首先来回顾一下上节的例子：

#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

我们知道，变量是要占用内存的，虽然我们称 r 为变量，但是通过&r获取到的却不是 r 的地址，而是 a 的地址，这会让我们觉得 r 这个变量不占用独立的内存，它和 a 指代的是同一份内存。

请读者再继续看下面的例子：

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
int num = 99;
class A{
public:
    A();
private:
    int n;
    int &r;
};
A::A(): n(0), r(num){}
int main (){
    A *a = new A();
    cout<<sizeof(A)<<endl;  //输出A类型的大小
    cout<<hex<<showbase<<*((int*)a + 1)<<endl;  //输出r本身的内容
    cout<<&num<<endl;  //输出num变量的地址
    return 0;
}

运行结果：
8
0x442000
0x442000

成员变量 r 是 private 属性的，不能直接通过对象来访问，但是借助强大的指针和类型转换，我们依然可以得到它的内容，只不过这种方法有点蹩脚，我们将在《突破访问权限的限制（C++ Hack）》一节中详细阐述，读者暂时不必理解，只要知道第 20 行代码是用来输出 r 本身的内容的即可。

第 20 行代码中，hex表示以十六进制输出，showbase表示添加十六进制前缀0x。

从运行结果可以看出：

成员变量 r 是占用内存的，如果不占用的话，sizeof(A)的结果应该为 4。
r 存储的内容是0x442000，也即变量 num 的地址。

这说明 r 的实现和指针非常类似。如果将 r 定义为int *类型的指针，并在构造函数中让它指向 num，那么 r 占用的内存也是 4 个字节，存储的内容也是 num 的地址。

其实引用只是对指针进行了简单的封装，它的底层依然是通过指针实现的，引用占用的内存和指针占用的内存长度一样，在 32 位环境下是 4 个字节，在 64 位环境下是 8 个字节，之所以不能获取引用的地址，是因为编译器进行了内部转换。以下面的语句为例：

int a = 99;
int &r = a;
r = 18;
cout<<&r<<endl;

编译时会被转换成如下的形式：

int a = 99;
int *r = &a;
*r = 18;
cout<<r<<endl;

使用&r取地址时，编译器会对代码进行隐式的转换，使得代码输出的是 r 的内容（a 的地址），而不是 r 的地址，这就是为什么获取不到引用变量的地址的原因。也就是说，不是变量 r 不占用内存，而是编译器不让获取它的地址。

当引用作为函数参数时，也会有类似的转换。以下面的代码为例：

//定义函数
void swap(int &r1, int &r2){
    int temp = r1;
    r1 = r2;
    r2 = temp;
}
//调用函数
int num1 = 10, num2 = 20;
swap(num1, num2);

编译时会被转换成如下的形式：

//定义函数
void swap(int *r1, int *r2){
    int temp = *r1;
    *r1 = *r2;
    *r2 = temp;
}
//调用函数
int num1 = 10, num2 = 20;
swap(&num1, &num2);

引用虽然是基于指针实现的，但它比指针更加易用，从上面的两个例子也可以看出来，通过指针获取数据时需要加*，书写麻烦，而引用不需要，它和普通变量的使用方式一样。

C++ 的发明人 Bjarne Stroustrup 也说过，他在 C++ 中引入引用的直接目的是为了让代码的书写更加漂亮，尤其是在运算符重载中，不借助引用有时候会使得运算符的使用很麻烦。

引用和指针的其他区别

引用必须在定义时初始化，并且以后也要从一而终，不能再指向其他数据；而指针没有这个限制，指针在定义时不必赋值，以后也能指向任意数据。
可以有 const 指针，但是没有 const 引用。也就是说，引用变量不能定义为下面的形式：

int a = 20;
int & const r = a;

因为 r 本来就不能改变指向，加上 const 是多此一举。

指针可以有多级，但是引用只能有一级，例如，int **p是合法的，而int &&r是不合法的。如果希望定义一个引用变量来指代另外一个引用变量，那么也只需要加一个&，如下所示：

int a = 10;
int &r = a;
int &rr = r;

指针和引用的自增（++）自减（–）运算意义不一样。对指针使用 ++ 表示指向下一份数据，对引用使用 ++ 表示它所指代的数据本身加 1；自减（–）也是类似的道理。请看下面的例子：

#include <iostream>
using namespace std;
int main (){
    int a = 10;
    int &r = a;
    r++;
    cout<<r<<endl;
   
    int arr[2] = { 27, 84 };
    int *p = arr;
    p++;
    cout<<*p<<endl;
    return 0;
}

运行结果：
11
84

C++引用不能绑定到临时数据

已剪辑自: http://c.biancheng.net/view/vip_2253.html

我们知道，指针就是数据或代码在内存中的地址，指针变量指向的就是内存中的数据或代码。这里有一个关键词需要强调，就是内存，指针只能指向内存，不能指向寄存器或者硬盘，因为寄存器和硬盘没法寻址。

其实 C++ 代码中的大部分内容都是放在内存中的，例如定义的变量、创建的对象、字符串常量、函数形参、函数体本身、new或malloc()分配的内存等，这些内容都可以用&来获取地址，进而用指针指向它们。除此之外，还有一些我们平时不太留意的临时数据，例如表达式的结果、函数的返回值等，它们可能会放在内存中，也可能会放在寄存器中。一旦它们被放到了寄存器中，就没法用&获取它们的地址了，也就没法用指针指向它们了。

下面的代码演示了表达式所产生的临时结果：

int n = 100, m = 200;
int *p1 = &(m + n);    //m + n 的结果为 300
int *p2 = &(n + 100);  //n + 100 的结果为 200
bool *p4 = &(m < n);   //m < n 的结果为 false

这些表达式的结果都会被放到寄存器中，尝试用&获取它们的地址都是错误的。

下面的代码演示了函数返回值所产生的临时结果：

int func(){
    int n = 100;
    return n;
}
int *p = &(func());

func() 的返回值 100 也会被放到寄存器中，也没法用&获取它的地址。

什么样的临时数据会放到寄存器中

寄存器离 CPU 近，并且速度比内存快，将临时数据放到寄存器是为了加快程序运行。但是寄存器的数量是非常有限的，容纳不下较大的数据，所以只能将较小的临时数据放在寄存器中。int、double、bool、char 等基本类型的数据往往不超过 8 个字节，用一两个寄存器就能存储，所以这些类型的临时数据通常会放到寄存器中；而对象、结构体变量是自定义类型的数据，大小不可预测，所以这些类型的临时数据通常会放到内存中。

下面的代码是正确的，它证明了结构体类型的临时数据会被放到内存中：

#include <iostream>
using namespace std;
typedef struct{
    int a;
    int b;
} S;
//这里用到了一点新知识，叫做运算符重载，我们会在《运算符重载》一章中详细讲解
S operator+(const S &A, const S &B){
    S C;
    C.a = A.a + B.a;
    C.b = A.b + B.b;
    return C;
}
S func(){
    S a;
    a.a = 100;
    a.b = 200;
    return a;
}
int main(){
    S s1 = {23, 45};
    S s2 = {90, 75};
    S *p1 = &(s1 + s2);
    S *p2 = &(func());
    cout<<p1<<", "<<p2<<endl;
    return 0;
}

运行结果：
0x28ff28, 0x28ff18 第10行代码用到了运算符重载，我们将在《C++运算符重载》一章中详细讲解。

关于常量表达式

诸如 100、200+34、34.5*23、3+7/3 等不包含变量的表达式称为常量表达式（Constant expression）。

常量表达式由于不包含变量，没有不稳定因素，所以在编译阶段就能求值。编译器不会分配单独的内存来存储常量表达式的值，而是将常量表达式的值和代码合并到一起，放到虚拟地址空间中的代码区。从汇编的角度看，常量表达式的值就是一个立即数，会被“硬编码”到指令中，不能寻址。关于虚拟地址空间的分区，我们已在《Linux下C语言程序的内存布局》一节中讲到。总起来说，常量表达式的值虽然在内存中，但是没有办法寻址，所以也不能使用&来获取它的地址，更不能用指针指向它。下面的代码是错误的，它证明了不能用&来获取常量表达式的地址：

int *p1 = &(100);
int *p2 = &(23 + 45 * 2);

引用也不能指代临时数据

引用和指针在本质上是一样的，引用仅仅是对指针进行了简单的封装。引用和指针都不能绑定到无法寻址的临时数据，并且 C++ 对引用的要求更加严格，在某些编译器下甚至连放在内存中的临时数据都不能指代。

下面的代码中，我们将引用绑定到了临时数据：

typedef struct{
    int a;
    int b;
} S;
int func_int(){
    int n = 100;
    return n;
}
S func_s(){
    S a;
    a.a = 100;
    a.b = 200;
    return a;
}
//这里用到了一点新知识，叫做运算符重载，我们会在《运算符重载》一章中详细讲解
S operator+(const S &A, const S &B){
    S C;
    C.a = A.a + B.a;
    C.b = A.b + B.b;
    return C;
}
int main(){
    //下面的代码在GCC和Visual C++下都是错误的
    int m = 100, n = 36;
    int &r1 = m + n;
    int &r2 = m + 28;
    int &r3 = 12 * 3;
    int &r4 = 50;
    int &r5 = func_int();
   
    //下面的代码在GCC下是错误的，在Visual C++下是正确的
    S s1 = {23, 45};
    S s2 = {90, 75};
    S &r6 = func_s();
    S &r7 = s1 + s2;
    return 0;
}

第 28~33 行代码在 GCC 和 Visual C++ 下都不能编译通过，第 38~39 行代码在 Visual C++ 下能够编译通过，但是在 GCC 下编译失败。这说明：

在 GCC 下，引用不能指代任何临时数据，不管它保存到哪里；
在 Visual C++ 下，引用只能指代位于内存中（非代码区）的临时数据，不能指代寄存器中的临时数据。

引用作为函数参数

当引用作为函数参数时，有时候很容易给它传递临时数据。下面的 isOdd() 函数用来判断一个数是否是奇数：

bool isOdd(int &n){
    if(n%2 == 0){
        return false;
    }else{
        return true;
    }
}
int main(){
    int a = 100;
    isOdd(a);  //正确
    isOdd(a + 9);  //错误
    isOdd(27);  //错误
    isOdd(23 + 55);  //错误
    return 0;
}

isOdd() 函数用来判断一个数是否为奇数，它的参数是引用类型，只能传递变量，不能传递常量或者表达式。但用来判断奇数的函数不能接受一个数字又让人感觉很奇怪，所以类似这样的函数应该坚持使用值传递，而不是引用传递。

下面是更改后的代码：

bool isOdd(int n){  //改为值传递
    if(n%2 == 0){
        return false;
    }else{
        return true;
    }
}
int main(){
    int a = 100;
    isOdd(a);  //正确
    isOdd(a + 9);  //正确
    isOdd(27);  //正确
    isOdd(23 + 55);  //正确
    return 0;
}

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