[C++核心编程-02]----C++引用详解和使用方法分析

前言

在C++中，引用是一个别名，它允许将一个已存在的变量或对象用不同的名称来访问。引用在定义时必须初始化，并且一旦初始化就不能再绑定其他对象，因此引用在声明时被初始化后就不能再改变引用对象。引用使用&符号进行声明。

引用的定义形式如下：

Type& ref = variable;

其中，Type是引用所引用对象的类型，ref是引用的名称，variable是引用所绑定的变量或对象。

正文

01-引用简介

C++中的引用是一个别名，可以用来访问已存在的变量或对象，相当于给变量起一个别名。引用在定义时必须初始化，且初始化后不可再绑定其他对象，即引用在声明时被初始化后就不能再改变引用对象。引用使用&符号进行声明。

引用主要有以下特点和使用方法：

a、别名: 引用本质上是对一个已存在对象的别名，可以通过引用来操作原始对象，实现对原始对象的直接改变。

b、必须初始化: 定义引用时必须进行初始化，且一旦初始化就不能再绑定其他对象。

c、传递和修改函数参数: 可以通过引用将变量传递给函数，函数可以修改引用指向的变量，实现“引用参数”的功能，避免传递大量数据的复制。

d、返回引用: 函数可以返回引用类型，从而可以通过函数返回值改变对象的值。

e、方便修改对象值: 通过引用可以直接修改对象的值而无需通过指针间接修改。

f、常引用: 通过const修饰的引用称为常引用，只能读取对象值，不能修改。

g、注意事项: 使用引用时需要注意避免悬空引用、引用指向临时变量等问题。

02-引用的基本语法

引用在C++中的创建需要遵循以下基本语法规则：

a、定义引用变量：引用是通过在声明时在变量名前加上&符号来创建的，表示这是一个引用变量。

b、初始化引用：在定义引用时必须进行初始化，即需要将引用绑定到一个已存在的变量或对象上。一旦引用被初始化后，就不能再绑定其他对象。

c、使用引用：通过引用可以直接操作原始对象，修改引用也会影响原始对象的值。可以像使用普通变量一样使用引用。

下面给出一个示例代码，展示引用的创建过程：在这个示例中，首先定义了一个整型变量x，然后创建了一个整型引用ref，引用了变量x。通过引用ref修改了原始变量x的值，并输出了修改前后的结果，演示了引用的创建和使用过程。

#include <iostream>
using namespace std;int main() {int x = 5;  // 定义一个整型变量x，并赋初值为5int& ref = x;  // 创建一个整型引用ref，引用变量xcout << "原始变量x的值为：" << x << endl;  // 输出原始变量x的值cout << "引用所绑定的对象的值为：" << ref << endl;  // 输出引用所绑定对象的值ref = 10;  // 通过引用修改原始变量x的值cout << "修改后，原始变量x的值为：" << x << endl;  // 输出修改后的原始变量x的值system("pause");return 0;
}

下面给出具体代码，用于分析引用基本语法使用过程：在这个示例中，引用b和变量a共享相同的内存空间，因此当通过引用b修改值时，也会影响到原始变量a的值。这展示了引用的一个重要特性：通过引用可以直接对原始变量进行操作，而不需要操作副本。引用在C++中的这种功能可以简化对变量的处理，提高代码的可读性和效率。这个示例通过引用实现了对原始变量的修改和输出，展示了引用的使用方式。

#include<iostream>
using namespace std;int main()
{// 引用的基本语法  相同数据类型  &别名 = 原名int a = 10;// 创建引用int &b = a;b = 100;  //因为a和b是同时操作的同一个内存，因此，当改变b时，a也会改变cout << "a = " << a << endl;cout << "b = "<<b << endl;system("pause");return 0;}

示例运行结果如下图所示：

03-引用的注意事项

引用在C++中是一个非常有用的特性，但同时也需要注意以下几个重要的事项：

a、引用必须在定义时初始化：引用必须在定义的同时进行初始化，即在创建引用时必须将其绑定到某个变量上。例如int &b = a;，这里的b就是引用，它必须在定义时就绑定到变量a上。

b、引用与原变量共享内存空间：引用本质上是原变量的别名，它们共享同一块内存空间。因此，对引用的操作会直接影响原变量的值，反之亦然。这种共享内存空间的特性是引用的重要特点。

c、引用不能重新绑定：一旦引用绑定到某个变量上，就不能再重新绑定到其他变量。引用的绑定是一种一次性的操作，不能修改。

d、避免悬空引用：悬空引用是指引用的目标对象已经被销毁，但引用仍然存在。如果在这种情况下使用引用，会导致未定义行为。因此，使用引用时要确保目标对象的生命周期覆盖了引用的使用范围。

e、使用引用要小心指针：引用与指针类似，但也有不同之处。引用是一个别名，可以简化代码和提高可读性，但指针可以在运行时进行重新赋值和指向不同的对象。因此，需要根据实际情况选择使用引用还是指针。

注：引用必须初始化。引用在初始化后，不可以进行更改。

#include <iostream>
using namespace std;int main() {int a = 10;int &b = a; // 初始化引用b绑定到变量aint c = 20;b = c; // 修改a的值为20，因为b是a的引用cout << "a = " << a << endl; // 输出20cout << "b = " << b << endl; // 输出20// 尝试重新绑定引用int d = 30;// int &ref = d; // 这样会报错，引用不能重新绑定return 0;
}

下面给出具体代码，用于分析引用的注意事项过程，这个示例代码主要演示了引用的两个注意事项：

a、引用必须在定义时初始化：在代码中，定义了一个int a = 10;的变量a，并尝试定义一个引用int &b;但这句代码是错误的，因为引用在定义时必须初始化。正确的做法是int &b = a;，将引用b初始化绑定到变量a上。

b、引用在初始化后不可以进行更改：在代码中，虽然进行了b = c;的赋值操作，但这并不是将b改成c的引用，而是将a的值修改为了c的值。由于引用本质上是指向了a的地址，所以a和b指向的地址是一样的。而c则有不同的地址。虽然地址不同，但是对应的内存单元中存储的数值可以相同。

#include<iostream>
using namespace std;int main()
{int a = 10;// 1、引用必须初始化//	int &b;  // 这句代码错误，必须初始化int  &b = a;// 2、引用在初始化后，不可以进行更改int c = 20;b = c;  // 这里并没有将b改成c的引用，只是一个赋值的操作，此时b指向的还是a的地址// 地址不会改变，因此可以看出，a和b的地址还是相同的，但是c和他们的地址不同，// 然而，虽然不同地址，但是对应的内存单元中存储的数值是可以相同的cout << "c = " << &c << endl;  // 0113F95Ccout << "a = " << &a << endl;  // 0113F974cout << "b = " << &b << endl;  // 0113F974cout << "c = " << c << endl;  cout << "a = " << a << endl;  cout << "b = " << b << endl;  system("pause");return 0;}

示例运行结果如下图所示：

04-引用做函数参数

当引用作为函数参数时，可以实现对参数的直接操作，而不是对参数值的拷贝。这可以减少内存消耗和提高程序的执行效率。引用作为函数参数的主要优点包括：

a、避免参数拷贝开销：当传递非引用参数时，系统会自动进行值的拷贝，而将引用作为参数传递可以避免这种开销，提高程序效率。

b、直接修改参数值：引用作为函数参数时，函数内对引用的操作会直接影响原始实参的值，这对函数的修改操作非常有用。

c、返回多个值：引用可以作为返回多个值的方式，通过引用传递多个参数，并在函数内部修改这些参数的值。

下面给出具体代码示例，演示引用作为函数参数的用法以及以上优点：在这个示例中，test1函数使用引用作为参数，实现了对传入参数的直接修改；test2函数演示了引用作为参数返回多个值的用法。

#include <iostream>
using namespace std;// 传递引用作为参数，实现直接修改传入参数的值
void test1(int &n) {n++;
}// 返回多个值，通过引用参数传递
void test2(int a, int b, int &sum, int &diff) {sum = a + b;diff = a - b;
}int main() {int num = 10;int sum, diff;// 通过引用参数直接修改num的值test1(num);cout << "num after increment: " << num << endl; // 输出11// 返回多个值，通过引用参数传递test2(5, 3, sum, diff);cout << "sum: " << sum << ", diff: " << diff << endl; // 输出sum: 8, diff: 2return 0;
}

下面给出代码，用于分析值传递、地址传递和引用传递三种方法的过程：这个示例演示了C++中的三种参数传递方式：值传递、地址传递和引用传递，并进行了交换函数的实现和调用。

a、值传递：在mySwap01函数中，两个参数a和b被传递进去，但是在函数内部交换它们的值，并不会影响到实参。因此，a和b的值不会发生改变。

b、地址传递：在mySwap02函数中，使用指针作为参数，在函数内部通过地址修改实参的值。因此，通过传递变量地址，函数可以直接修改实参的值。在输出中，可以看到c和d的值已经被交换。

c、引用传递：在mySwap03函数中，引用被用作参数，实现了对实参的直接修改，而不是传递变量的拷贝。因此，引用传递和地址传递类似，都可以实现对实参的值的修改。在输出中，可以看到f和e的值也已经被交换了。

这个示例通过不同的参数传递方式演示了值传递、地址传递和引用传递的区别。值传递只是传递变量的副本，不会修改实参；地址传递通过传递指针可以修改实参的值；引用传递则直接修改实参的值，效果类似于地址传递。

#include<iostream>
using namespace std;// 交换函数// 1、值传递
void mySwap01(int a, int b)
{int temp = a;a = b;b = temp;
}
// 2、地址传递
void mySwap02(int *c, int *d)
{int temp = *c;   // 这里定义temp，不能定义指针，因为*c就已经是一个值，只需要将值赋给temp存储一下就行了*c = *d;*d = temp;cout << "c的地址" << c << endl;cout << "temp的地址" << &temp << endl;
}
// 3、引用传递
void mySwap03(int &f, int &e)  //这里参数列表中使用过了引用的方式传递参数，加&符号即可
{int temp = f;f = e;e = temp;
}int main()
{int a = 10;int b = 20;mySwap01(a, b);  //值传递，形参不会修饰实参，也就是实参并不会改变cout << "a = " << a << endl;cout << "b = " << b << endl;int c = 10;int d = 20;mySwap02(&c, &d);  //地址传递，形参修饰实参，也就是实参会改变cout << "c = " << c << endl;cout << "d = " << d << endl;int f = 10;int e = 20;mySwap03(f,e);  //引用传递，形参修饰实参，也就是实参会改变cout << "f = " << f << endl;cout << "e = " << e << endl;system("pause");return 0;}

示例运行结果如下图所示：

05-引用做函数返回值

当引用作为函数的返回值时，可以实现返回一个指向已存在变量或对象的引用，而不是复制一个新的变量。这样可以避免额外的内存开销，同时直接修改原始变量。引用作为函数返回值的主要优点包括：

a、避免对象的拷贝：通过引用返回一个已存在的对象，避免了对对象进行复制构造，节省了内存空间和时间消耗。

b、直接修改原始对象：返回引用可以直接修改原始对象的值或状态，而不是返回一个副本，使得函数能够对原始对象进行修改。

c、返回多个值：引用可以作为一种返回多个值的方式，通过返回引用来返回多个对象或变量。

下面给出代码示例，分析引用作为函数返回值的用法及以上优点：在这个示例中，getMax函数返回两个整数中较大的那个的引用，可以直接修改原始对象的值。在main函数中，通过调用getMax(a, b) = 100;实现了对a或b值的直接修改，而不用再通过复杂的返回值或指针操作。

#include <iostream>
using namespace std;// 返回引用，直接修改原始对象
int &getMax(int &num1, int &num2) {if(num1 > num2) {return num1;} else {return num2;}
}int main() {int a = 10, b = 20;cout << "Initial values: a = " << a << ", b = " << b << endl;getMax(a, b) = 100;  // 直接修改a或b的值cout << "After modifying value: a = " << a << ", b = " << b << endl;return 0;
}

接着给出具体代码，分析引用作为函数返回值的使用过程：

注：不要返回局部变量的引用，因为局部变量存放在栈区。引用函数的调用可以作为左值。

在这个示例中，展示了引用作为函数返回值的用法及需要注意的一些问题：

a、不要返回局部变量的引用：在test01函数中，返回了一个指向动态分配的整型变量的引用。这里引发了一个潜在的问题，因为返回的指针对应的动态内存分配在堆区，但在函数结束后指针a被销毁，可能导致返回的引用指向的内存不再有效。

b、引用函数的调用可以作为左值：在test02函数中，返回静态整型变量的引用。因为静态变量存放在全局区，可以保证其在程序整个生命周期中有效。因此，可以将引用函数调用作为左值，直接对函数返回的变量进行操作。

在main函数中，分别调用test01和test02函数返回引用，并将其赋值给引用变量ref和ref2，然后输出它们的值。可以观察到，ref输出了正确的值，但第二次输出乱码，因为返回的引用指向的动态内存已经被释放。而ref2输出了静态变量的值，可以持续输出。最后通过test02() = 1000;方式实现对静态变量的直接修改，进而改变ref2的值。

需要注意：使用引用作为函数返回值时，避免返回指向局部变量的引用，以防止悬空引用；可以返回静态变量或静态全局变量的引用，以保证返回值的有效性。

#include<iostream>
using namespace std;//引用做函数的返回值// 1、不要返回局部变量的引用，因为局部变量存放在栈区
int& test01()   //这里就是使用的引用返回
{int *a = new int(10);return *a;
}
// 2、引用函数的调用可以作为左值
int& test02()   //这里就是使用的引用返回
{static int a = 10;  // 变成了静态变量，在全局区，可以一直输出return a;
}int main()
{// 调用引用返回函数int &ref = test01();  // 这里test01()以引用的方式返回的a，相当于a此时有一个别名，然后又定义了ref这个别名等于a，再进行输出cout << "ref = " << ref << endl;   // 这里就像是让局部变量做返回值，和栈区那一节很像，第一个正常输出，第二个乱码cout << "ref = " << ref << endl;int &ref2 = test02();cout << "ref2 = " << ref2 << endl;cout << "ref2 = " << ref2 << endl;test02() = 1000;  // 这里之后，ref2变成了1000，这里相当于做了一个a = 1000的操作，ref2是a的别名，因此也会改变cout << "ref2 = " << ref2 << endl;cout << "ref2 = " << ref2 << endl;system("pause");return 0;}

示例运行结果如下图所示：

06-引用的本质

引用是C++中一个重要的特性，它实际上是一个别名，允许程序员使用一个变量的多个名称来访问相同的内存位置。引用的本质可以通过以下几点来解释：

a、别名：引用本质上是变量的别名，即一个变量可以有多个名字来引用同一块内存位置。这使得程序员可以通过引用来操作同一个变量，而不是复制其值。

b、地址操作：在底层实现上，引用是通过指针实现的。编译器在引用声明时会隐式地创建一个指针，并在使用引用时自动解引用。因此，引用的本质是通过指针实现的。

c、提高代码可读性：引用的主要作用是提高代码的可读性和易用性。使用引用可以简化代码并减少冗余，使得代码更加清晰和易于理解。

下面是一个代码示例，分析引用的本质和用法：在这个示例中，变量ref是变量x的引用，即ref是x的别名。通过不同的方式修改ref或x的值，可以观察到它们实际上指向同一个内存位置，因此修改任何一个变量的值都会影响另一个。

#include <iostream>
using namespace std;int main() {int x = 10;int &ref = x;  // 引用变量ref是变量x的别名cout << "x = " << x << endl;  // 输出变量x的值cout << "ref = " << ref << endl;  // 输出引用ref的值x = 20;  // 修改变量x的值cout << "x = " << x << endl;  // 再次输出变量x的值cout << "ref = " << ref << endl;  // 输出引用ref的值，与变量x相同ref = 30;  // 通过引用修改变量x的值cout << "x = " << x << endl;  // 再次输出变量x的值，被修改为30cout << "ref = " << ref << endl;  // 输出引用ref的值，与变量x相同return 0;
}

接着给出具体代码，分析引用的本质的使用过程：

在这个示例中，展示了引用的本质是指针常量的概念。具体来说，对于引用int& ref1 = a;，实际上会被编译器转换为int* const ref = &a;，即ref是一个指针常量，指向不可变，但指向的值可以改变。

在main函数中，定义了一个整型变量a并创建了一个引用ref1来引用这个变量。通过ref1 = 20;这一操作，实际上是在内部被转换为*ref = 20;，即通过引用修改了变量a的值。因此，在输出a和ref1的值时，它们都变成了20。

在函数func中，参数ref1是一个引用，实际上是指针常量的概念。在函数内部对ref1的修改实际上是对其指向的变量进行修改，因此通过func(a);这一调用修改了变量a的值为100。

#include<iostream>
using namespace std;//发现是引用，转换为 int* const ref = &a;
void func(int& ref1) {ref1 = 100; // ref是引用，转换为*ref = 100
}
int main() 
{/* 只需要记住引用是一个指针常量即可  int *const ref = &a*/// 引用相当于一个指针常量，对于指针常量来说，指向不可以更改，指向的值可以改变，因此引用不可更改int a = 10;//自动转换为 int* const ref = &a; 指针常量是指针指向不可改，也说明为什么引用不可更改int& ref1 = a;ref1 = 20; //内部发现ref是引用，自动帮我们转换为: *ref = 20;，一切都是在内部完成的cout << "a:" << a << endl;cout << "ref:" << ref1 << endl;func(a);system("pause");return 0;
}

示例运行结果如下图所示：

07-常量引用

常量引用是在引用声明中加上const修饰符的引用类型。常量引用用于限制对被引用对象的修改，即通过常量引用无法修改被引用对象的值，起到了类似于只读的作用。常量引用的本质是将被引用对象视为常量，从而在编译时就可以进行静态类型检查，以确保不会意外修改引用对象的值。

下面是一个具体的代码示例，演示了常量引用的概念及用法：

在这个示例中，首先定义了一个整型变量num，然后使用常量引用const int& constRef = num;来引用这个变量。常量引用限制了对num的修改，因此尝试修改constRef的值会导致编译错误。接着在main函数中输出常量引用指向变量的值，并调用函数modifyValue并传递常量引用，观察在函数内部的输出。

函数modifyValue中的参数ref是一个常量引用，因此无法在函数内部修改其引用对象的值，只能通过该引用进行读取操作。这可以有效保护被引用对象不被意外修改，增强了程序的稳定性和安全性。

#include <iostream>
using namespace std;void modifyValue(const int& ref) {// ref = 10;  // 错误：常量引用无法修改引用对象的值cout << "Value inside function: " << ref << endl;
}int main() {int num = 5;const int& constRef = num;  // 常量引用，限制了对num的修改cout << "Value before modification: " << constRef << endl;// constRef = 10;  // 错误：常量引用无法修改引用对象的值modifyValue(constRef);  // 传递常量引用给函数return 0;
}

接着给出具体代码，分析常量引用的使用过程：

这个示例展示了常量引用的用法和作用。在函数showValue中，参数val被声明为常量引用const int& val，这意味着在函数内部无法修改val所引用的值，即无法对实参a进行修改。通过使用常量引用，可以确保在函数内部只能对被引用对象进行读取操作，而不会意外修改实参的值。

在main函数中，定义了一个整型变量a并调用函数showValue将其传递给常量引用参数val。在函数内部打印出了val所引用的值，但无法对其进行修改。因此在最后输出a的值时，依然是初始值100，没有被修改。

#include<iostream>
using namespace std;//打印数据函数
void showValue(const int& val) 
{
//   val  = 1000;   // 这里函数只是想要实现一个打印的操作，因此在参数列表中加入一个const来修饰，// 此时val便不可以进行修改，因为这是使用引用方式传递值，因此如果不加const，操作者在该函数中，// 进行了val重新赋值操作的话，实参a也会被改变，这就是为什么有些函数参数列表中带有const的原因cout << "val = " << val << endl;
}int main()
{int a = 100;showValue(a);cout << "a = " << a << endl;system("pause");return 0;
}

示例运行结果如下图所示：