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C++中的引用 【導讀】介紹C++引用的基本概念，通過詳細的應(yīng)用分析與說明，對引用進行全面、透徹地闡述 引用是C++引入的新語言特性，是C++常用的一個重要內(nèi)容之一，正確、靈活地使用引用，可以使程序簡潔、高效。 引用簡介 引用就是某一變量（目標）的一個別名，對引用的操作與對變量直接操作完全一樣。 引用的聲明方法：類型標識符 &引用名=目標變量名； 【例1】：int a; int &ra=a; //定義引用ra,它是變量a的引用，即別名 說明： （1）&在此不是求地址運算，而是起標識作用。 （2）類型標識符是指目標變量的類型。 （3）聲明引用時，必須同時對其進行初始化。 （4）引用聲明完畢后，相當于目標變量名有兩個名稱，即該目標原名稱和引用名，且不能再把該引用名作為其他變量名的別名。 ra=1; 等價于 a=1; （5）聲明一個引用，不是新定義了一個變量，它只表示該引用名是目標變量名的一個別名，它本身不是一種數(shù)據(jù)類型，因此引用本身不占存儲單元，系統(tǒng)也不給引用分配存儲單元。故：對引用求地址，就是對目標變量求地址。&ra與&a相等。 （6）不能建立數(shù)組的引用。因為數(shù)組是一個由若干個元素所組成的集合，所以無法建立一個數(shù)組的別名。 引用應(yīng)用 1、引用作為參數(shù) 引用的一個重要作用就是作為函數(shù)的參數(shù)。以前的C語言中函數(shù)參數(shù)傳遞是值傳遞，如果有大塊數(shù)據(jù)作為參數(shù)傳遞的時候，采用的方案往往是指針，因為這樣可以避免將整塊數(shù)據(jù)全部壓棧，可以提高程序的效率。但是現(xiàn)在（C++中）又增加了一種同樣有效率的選擇（在某些特殊情況下又是必須的選擇），就是引用。 【例2】： void swap(int &p1, int &p2) //此處函數(shù)的形參p1, p2都是引用 { int p; p=p1; p1=p2; p2=p; } 為在程序中調(diào)用該函數(shù)，則相應(yīng)的主調(diào)函數(shù)的調(diào)用點處，直接以變量作為實參進行調(diào)用即可，而不需要實參變量有任何的特殊要求。如：對應(yīng)上面定義的swap函數(shù)，相應(yīng)的主調(diào)函數(shù)可寫為： main( ) { int a,b; cin>>a>>b; //輸入a,b兩變量的值 swap(a,b); //直接以變量a和b作為實參調(diào)用swap函數(shù) cout<<a<< ‘ ‘ <<b; //輸出結(jié)果 } 上述程序運行時，如果輸入數(shù)據(jù)10 20并回車后，則輸出結(jié)果為20 10。 由【例2】可看出： （1）傳遞引用給函數(shù)與傳遞指針的效果是一樣的。這時，被調(diào)函數(shù)的形參就成為原來主調(diào)函數(shù)中的實參變量或?qū)ο蟮囊粋€別名來使用，所以在被調(diào)函數(shù)中對形參變量的操作就是對其相應(yīng)的目標對象（在主調(diào)函數(shù)中）的操作。 （2）使用引用傳遞函數(shù)的參數(shù)，在內(nèi)存中并沒有產(chǎn)生實參的副本，它是直接對實參操作；而使用一般變量傳遞函數(shù)的參數(shù)，當發(fā)生函數(shù)調(diào)用時，需要給形參分配存儲單元，形參變量是實參變量的副本；如果傳遞的是對象，還將調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)。因此，當參數(shù)傳遞的數(shù)據(jù)較大時，用引用比用一般變量傳遞參數(shù)的效率和所占空間都好。 （3）使用指針作為函數(shù)的參數(shù)雖然也能達到與使用引用的效果，但是，在被調(diào)函數(shù)中同樣要給形參分配存儲單元，且需要重復使用"*指針變量名"的形式進行運算，這很容易產(chǎn)生錯誤且程序的閱讀性較差；另一方面，在主調(diào)函數(shù)的調(diào)用點處，必須用變量的地址作為實參。而引用更容易使用，更清晰。 如果既要利用引用提高程序的效率，又要保護傳遞給函數(shù)的數(shù)據(jù)不在函數(shù)中被改變，就應(yīng)使用常引用。 2、常引用 常引用聲明方式：const 類型標識符 &引用名=目標變量名； 用這種方式聲明的引用，不能通過引用對目標變量的值進行修改,從而使引用的目標成為const，達到了引用的安全性。 【例3】： int a ; const int &ra=a; ra=1; //錯誤 a=1; //正確 這不光是讓代碼更健壯，也有些其它方面的需要。 【例4】：假設(shè)有如下函數(shù)聲明： string foo( ); void bar(string & s); 那么下面的表達式將是非法的： bar(foo( )); bar("hello world"); 原因在于foo( )和"hello world"串都會產(chǎn)生一個臨時對象，而在C++中，這些臨時對象都是const類型的。因此上面的表達式就是試圖將一個const類型的對象轉(zhuǎn)換為非const類型，這是非法的。 引用型參數(shù)應(yīng)該在能被定義為const的情況下，盡量定義為const 。 3、引用作為返回值 要以引用返回函數(shù)值，則函數(shù)定義時要按以下格式： 類型標識符 &函數(shù)名（形參列表及類型說明） {函數(shù)體} 說明： （1）以引用返回函數(shù)值，定義函數(shù)時需要在函數(shù)名前加& （2）用引用 返回一個函數(shù)值的最大好處是，在內(nèi)存中不產(chǎn)生被返回值的副本。 【例5】以下程序中定義了一個普通的函數(shù)fn1（它用返回值的方法返回函數(shù)值），另外一個函數(shù)fn2，它以引用的方法返回函數(shù)值。 #include <iostream.h> float temp; //定義全局變量temp float fn1(float r); //聲明函數(shù)fn1 float &fn2(float r); //聲明函數(shù)fn2 float fn1(float r) //定義函數(shù)fn1，它以返回值的方法返回函數(shù)值 { temp=(float)(r*r*3.14); return temp; } float &fn2(float r) //定義函數(shù)fn2，它以引用方式返回函數(shù)值 { temp=(float)(r*r*3.14); return temp; } void main() //主函數(shù) { float a=fn1(10.0); //第1種情況，系統(tǒng)生成要返回值的副本（即臨時變量） float &b=fn1(10.0); //第2種情況，可能會出錯（不同 C++系統(tǒng)有不同規(guī)定） //不能從被調(diào)函數(shù)中返回一個臨時變量或局部變量的引用 float c=fn2(10.0); //第3種情況，系統(tǒng)不生成返回值的副本 //可以從被調(diào)函數(shù)中返回一個全局變量的引用 float &d=fn2(10.0); //第4種情況，系統(tǒng)不生成返回值的副本 //可以從被調(diào)函數(shù)中返回一個全局變量的引用 cout<<a<<c<<d; } 引用作為返回值，必須遵守以下規(guī)則： （1）不能返回局部變量的引用。這條可以參照Effective C++[1]的Item 31。主要原因是局部變量會在函數(shù)返回后被銷毀，因此被返回的引用就成為了"無所指"的引用，程序會進入未知狀態(tài)。 （2）不能返回函數(shù)內(nèi)部new分配的內(nèi)存的引用。這條可以參照Effective C++[1]的Item 31。雖然不存在局部變量的被動銷毀問題，可對于這種情況（返回函數(shù)內(nèi)部new分配內(nèi)存的引用），又面臨其它尷尬局面。例如，被函數(shù)返回的引用只是作為一個臨時變量出現(xiàn)，而沒有被賦予一個實際的變量，那么這個引用所指向的空間（由new分配）就無法釋放，造成memory leak。 （3）可以返回類成員的引用，但最好是const。這條原則可以參照Effective C++[1]的Item 30。主要原因是當對象的屬性是與某種業(yè)務(wù)規(guī)則（business rule）相關(guān)聯(lián)的時候，其賦值常常與某些其它屬性或者對象的狀態(tài)有關(guān)，因此有必要將賦值操作封裝在一個業(yè)務(wù)規(guī)則當中。如果其它對象可以獲得該屬性的非常量引用（或指針），那么對該屬性的單純賦值就會破壞業(yè)務(wù)規(guī)則的完整性。 （4）引用與一些操作符的重載： 流操作符<<和>>，這兩個操作符常常希望被連續(xù)使用，例如：cout << "hello" << endl; 因此這兩個操作符的返回值應(yīng)該是一個仍然支持這兩個操作符的流引用。可選的其它方案包括：返回一個流對象和返回一個流對象指針。但是對于返回一個流對象，程序必須重新（拷貝）構(gòu)造一個新的流對象，也就是說，連續(xù)的兩個<<操作符實際上是針對不同對象的！這無法讓人接受。對于返回一個流指針則不能連續(xù)使用<<操作符。因此，返回一個流對象引用是惟一選擇。這個唯一選擇很關(guān)鍵，它說明了引用的重要性以及無可替代性，也許這就是C++語言中引入引用這個概念的原因吧。 賦值操作符=。這個操作符象流操作符一樣，是可以連續(xù)使用的，例如：x = j = 10;或者(x=10)=100;賦值操作符的返回值必須是一個左值，以便可以被繼續(xù)賦值。因此引用成了這個操作符的惟一返回值選擇。 【例6】 測試用返回引用的函數(shù)值作為賦值表達式的左值。 #include <iostream.h> int &put(int n); int vals[10]; int error=-1; void main() { put(0)=10; //以put(0)函數(shù)值作為左值，等價于vals[0]=10; put(9)=20; //以put(9)函數(shù)值作為左值，等價于vals[9]=10; cout<<vals[0]; cout<<vals[9]; } int &put(int n) { if (n>=0 && n<=9 ) return vals[n]; else { cout<<"subscript error"; return error; } } （5）在另外的一些操作符中，卻千萬不能返回引用：+-*/ 四則運算符。它們不能返回引用，Effective C++[1]的Item23詳細的討論了這個問題。主要原因是這四個操作符沒有side effect，因此，它們必須構(gòu)造一個對象作為返回值，可選的方案包括：返回一個對象、返回一個局部變量的引用，返回一個new分配的對象的引用、返回一個靜態(tài)對象引用。根據(jù)前面提到的引用作為返回值的三個規(guī)則，第2、3兩個方案都被否決了。靜態(tài)對象的引用又因為((a+b) == (c+d))會永遠為true而導致錯誤。所以可選的只剩下返回一個對象了。 4、引用和多態(tài) 引用是除指針外另一個可以產(chǎn)生多態(tài)效果的手段。這意味著，一個基類的引用可以指向它的派生類實例。 【例7】： class A; class B：public A{……}; B b; A &Ref = b; // 用派生類對象初始化基類對象的引用 Ref 只能用來訪問派生類對象中從基類繼承下來的成員，是基類引用指向派生類。如果A類中定義有虛函數(shù)，并且在B類中重寫了這個虛函數(shù)，就可以通過Ref產(chǎn)生多態(tài)效果。 引用總結(jié) （1）在引用的使用中，單純給某個變量取個別名是毫無意義的，引用的目的主要用于在函數(shù)參數(shù)傳遞中，解決大塊數(shù)據(jù)或?qū)ο蟮膫鬟f效率和空間不如意的問題。 （2）用引用傳遞函數(shù)的參數(shù)，能保證參數(shù)傳遞中不產(chǎn)生副本，提高傳遞的效率，且通過const的使用，保證了引用傳遞的安全性。 （3）引用與指針的區(qū)別是，指針通過某個指針變量指向一個對象后，對它所指向的變量間接操作。程序中使用指針，程序的可讀性差；而引用本身就是目標變量的別名，對引用的操作就是對目標變量的操作。 （4）使用引用的時機。流操作符<<和>>、賦值操作符=的返回值、拷貝構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)、賦值操作符=的參數(shù)、其它情況都推薦使用引用。 |
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