C++特性之引用

本章內(nèi)容：
1 引用的不同用例
1.1 引用變量
1.2 引用數(shù)據(jù)成員
1.3 引用參數(shù)
1.4 引用作為返回值
1.5 使用引用還是指針
1.6 右值引用

1 引用

• 在C++中，引用是變量的別名。所有對(duì)引用的修改都會(huì)改變被引用的變量的值?？蓪⒁卯?dāng)作隱式指針，這個(gè)指針沒有取變量地址和解除引用的麻煩。
• 也可以將引用當(dāng)作原始變量的另一種名稱?？梢詣?chuàng)建單獨(dú)的引用變量，在類中使用引用數(shù)據(jù)成員，將引用作為函數(shù)和方法的參數(shù)，也可以讓函數(shù)或者方法返回引用。

1.1 引用變量

• 引用變量在創(chuàng)建時(shí)必須初始化，如下：

    int ival = 3;
    int &iRef = x;

• 在賦值后，iRef就是ival的另一個(gè)名稱。使用iRef就是使用ival的當(dāng)前值。對(duì)iRef賦值會(huì)改變ival的值。
  無法在類外面聲明一個(gè)引用而不初始化它：

    int &emptyRef;      //編譯出錯(cuò)！

• 不能創(chuàng)建對(duì)未命名值(例如一個(gè)整數(shù)字面值)的引用，除非這個(gè)引用是一個(gè)const值。在下面的示例中，unnamedRef1將無法編譯，因?yàn)檫@是一個(gè)針對(duì)常量的non-const引用。
• 這條語句意味著可以改變常量5的值，而這樣做沒有意義。由于unnamedRef2是一個(gè)const引用，因此可以運(yùn)行，不能寫成"unnamedRef2=7"。

    int &unnamedRef1 = 5;           //編譯出錯(cuò)
    const int &unnamedRef2 = 5;   //正常運(yùn)行

(1) 修改引用

• 引用總是引用初始化的那個(gè)變量：引用一旦創(chuàng)建，就無法修改。這一規(guī)則導(dǎo)致了許多令人迷惑的語法。如果在聲明一個(gè)引用時(shí)用一個(gè)變量"賦值"，那么這個(gè)引用就指向這個(gè)變量。然而，如果在此后使用變量對(duì)引用賦值，被引用變量的值就變?yōu)橘x值變量的值。引用不會(huì)更新為指向這個(gè)變量。示例代碼如下:

    int x = 3,y = 4;
    int &iRef = x;
    iRef = y;       //Changes value of x to 4. Doesn't make iRef refer to y.

• 如果試圖在賦值時(shí)取y的地址，以繞過這一限制:

    int x = 3,y = 4;
    int &iRef = x;
    iRef = &y;      //編譯出錯(cuò)

• 上面的代碼無法編譯。y的地址是一個(gè)指針，但iRef聲明為一個(gè)int的引用，而不是一個(gè)指針的引用。
• 如果將一個(gè)引用賦值給另一個(gè)引用時(shí)，只是修改了其指向的值，而不是修改所指向的引用變量。(在初始化引用之后無法改變引用所指的變量；而只能改變該變量的值)

(2) 指針的引用和指向引用的指針

• 可以創(chuàng)建任何類型的引用，包括指針類型。下面給出一個(gè)指向int指針的引用例子:

    int *pVal;
    int *&ptrRef = pVal;
    ptrRef = new int;
    *ptrRef = 5;

• 這一語法有一點(diǎn)奇怪：你可能不習(xí)慣看到*和&彼此相鄰。然而，該語義上很簡單：ptrRef是pVal的引用，pVal是一個(gè)指向int的指針。修改ptrRef會(huì)更改pVal。指針的引用很少見，但是在某些場合下很有用，在1.3節(jié)中會(huì)討論這一內(nèi)容。
• 注意：
  (i)對(duì)引用取地址的結(jié)果與被引用變量取地址的結(jié)果是相同的。
  (ii)無法聲明引用的引用，或者指向引用的指針。

1.2 引用數(shù)據(jù)成員

• 類的數(shù)據(jù)成員可以引用，但是如果不是指向其他變量，引用就無法存在。因此，必須在構(gòu)造函數(shù)初始化器(constructor initializer)中初始化引用數(shù)據(jù)成員，而不是在構(gòu)造函數(shù)體內(nèi)。下面舉例說明：

    class MyClass
    {
    public:
        MyClass(int &iRef) : m_ref(iRef) {}
    private:
        int &m_ref;
    };

1.3 引用參數(shù)

• C++程序員通常不會(huì)單獨(dú)使用引用變量或者引用數(shù)據(jù)成員。引用經(jīng)常用作函數(shù)或者方法的參數(shù)。默認(rèn)的參數(shù)傳遞機(jī)制是值傳遞：函數(shù)接收參數(shù)的副本。修改這些副本時(shí)，原始的參數(shù)保持不變。引用允許指定另一種向函數(shù)傳遞參數(shù)的語義：按引用傳遞。當(dāng)使用引用參數(shù)時(shí)，函數(shù)將引用作為參數(shù)。如果引用被修改，最初的參數(shù)變量也會(huì)修改。下面給出交換兩個(gè)數(shù)的例子來說明：

    void swap(int &first, int &second)
    {
        int temp = first;
        first = second;
        second = temp;
    }

• 可以采用下面的方式調(diào)用這個(gè)函數(shù)：

    int x = 5, y = 6;
    swap(x, y);

• 當(dāng)使用x和y做參數(shù)調(diào)用函數(shù)swap()時(shí)，first參數(shù)初始化為x的引用，second參數(shù)初始化為y的引用。當(dāng)swap()修改first和second時(shí)，x和y實(shí)際上也被修改了。
  就像無法使用常量初始化普通引用變量一樣，不能將常量作為參數(shù)傳遞給按引用傳遞參數(shù)的函數(shù)：

    swap(3, 4);     //編譯出錯(cuò)

(1) 指針轉(zhuǎn)換為引用

• 某個(gè)函數(shù)或者方法需要一個(gè)引用做參數(shù)，而你擁有一個(gè)指向被傳遞值的指針，這是一種常見的困境。在此情況下，可以對(duì)指針解除引用(dereferencing)，將指針"轉(zhuǎn)換"為引用。這一行為會(huì)給出指針?biāo)傅闹?，隨后編譯器用這個(gè)值初始化引用參數(shù)。例如，可以這樣調(diào)用swap()：

    int x = 5, y = 6;
    int *px = &x;
    int *py = &y;
    swap(*px, *py);

(2) 按引用傳遞與按值傳遞

• 如果要修改參數(shù)，并修改傳遞給函數(shù)或者方法的變量，就需要使用按引用傳遞。然而，按引用傳遞的用途并不局限于此。按引用傳遞不需要將參數(shù)副本復(fù)制到函數(shù)，在有些情況下會(huì)帶來兩面的好處：
  (i)效率：復(fù)制較大的對(duì)象或者結(jié)構(gòu)需要較長的時(shí)間。按引用傳遞只是把指向?qū)ο蠡蛘呓Y(jié)構(gòu)的指針傳遞給函數(shù)。
  (ii)正確性：并非所有對(duì)象都允許按值傳遞，即使允許按值傳遞的對(duì)象，也可能不支持正確的深度復(fù)制(deep copying)。(如果需要深度復(fù)制，動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的對(duì)象必須提供自定義復(fù)制構(gòu)造函數(shù)。)
• 如果要利用好這些好處，但不想修改原始對(duì)象，可將參數(shù)標(biāo)記為const，從而實(shí)現(xiàn)按常理引用傳遞參數(shù)。按引用傳遞的這些優(yōu)點(diǎn)意味著，只有在參數(shù)是簡單的內(nèi)建類型(int或double)，且不需要修改參數(shù)的情況下才應(yīng)該使用按值傳遞。其他情況下都應(yīng)該按引用傳遞。

1.4 引用作為返回值

• 可以讓函數(shù)或者方法返回一個(gè)引用，這樣做的主要作用是提高效率。返回對(duì)象的引用不是返回整個(gè)對(duì)象可以避免不必要的復(fù)制。當(dāng)然，只有涉及的對(duì)象在函數(shù)終止之后仍然存在的情況才能使用這一技巧。(如果變量的作用域局限于函數(shù)或者方法，例如：堆棧中分配的變量，在函數(shù)結(jié)束時(shí)會(huì)被銷毀。這個(gè)時(shí)候絕對(duì)不能返回這個(gè)變量的引用。)
• 返回引用的另一個(gè)原因是希望將返回值直接賦為左值(lvalue)(賦值語句在左邊)。一些重載的運(yùn)算符通常會(huì)返回引用。

1.5 使用引用還是指針

• 在C++中，引用有可能被認(rèn)為是多余的：幾乎所有使用引用可以完成的任務(wù)都可以用指針來代替完成。例如，可以這樣編寫swap()函數(shù)：

    void swap(int *first, int *second)
    {
        int temp = *first;
        *first = *second;
        *second = temp;
    }

• 然而，這些代碼不如使用引用版本那么清晰：引用可以使程序整潔并易于理解。此外，引用比指針安全：不可能存在無效的引用，也不需要顯式地解除引用，因此不會(huì)遇到像指針那樣的解除引用問題。
• 大多數(shù)情況下，應(yīng)該使用引用而不是指針。對(duì)象的引用甚至可以像指向?qū)ο蟮闹羔樐菢又С侄鄳B(tài)性。只有在需要改變所指地址時(shí)，才需要使用指針，因?yàn)闊o法改變引用所致的對(duì)像。例如，動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存時(shí)，應(yīng)該將結(jié)果存儲(chǔ)在指針而不是引用中。需要使用指針的第二種情況是可選參數(shù)。例如，指針參數(shù)可以定義為帶默認(rèn)值nullptr的可選參數(shù)，而引用參數(shù)不能這樣定義。
• 還有一種方法可以判斷使用指針還是引用作為參數(shù)和返回類型：考慮誰擁有內(nèi)存。如果接受變量的代碼負(fù)責(zé)釋放相關(guān)對(duì)象的內(nèi)存，必須使用指向?qū)ο蟮闹羔?，最好是智能指針，這是傳遞擁有權(quán)的推薦方式。如果接受變量的代碼不需要釋放內(nèi)存，那么應(yīng)該使用引用。
• 注意：如果不需要改變所指的地址，就應(yīng)該使用引用而不是指針。

1.6 右值引用

• 在C++中，左值(lvalue)是可以獲取其地址的一個(gè)量，例如一個(gè)有名稱的變量。由于經(jīng)常出現(xiàn)在賦值語句的左邊，因此稱其為左值。另一方面，所有不是左值的量都是右值(rvalue)，例如常量值，臨時(shí)對(duì)象或者臨時(shí)值。通常右值位于賦值運(yùn)算符的右邊。
• 右值引用是一個(gè)對(duì)右值(rvalue)的引用。特別地，這是一個(gè)當(dāng)右值是臨時(shí)對(duì)象時(shí)使用的概念。右值引用的目的是提供在涉及臨時(shí)對(duì)象時(shí)可以選用的特定方法。由于知道臨時(shí)對(duì)象會(huì)被銷毀，通過右值引用，某些涉及復(fù)制大量值的操作可以通過簡單的復(fù)制指向這些值的指針來實(shí)現(xiàn)。
• 函數(shù)可以將&&作為參數(shù)說明的一部分(例如 type&&name)，來指定右值引用參數(shù)。通常，臨時(shí)對(duì)象被當(dāng)作const type&，但當(dāng)函數(shù)重載使用了右值引用時(shí)，可以解析臨時(shí)對(duì)象，用于該重載。下面的示例說明了這一點(diǎn)。代碼首先定義了兩個(gè)incr()函數(shù)，一個(gè)接受左值引用;另一個(gè)接受右值引用：

    // Increment value using lvalue reference parameter.
    void incr(int &value)
    {
        cout << "increment with lvalue reference" << endl;
        ++value;
    }
    // Increment value using rvalue reference parameter.
    void incr(int &&value)
    {
        cout << "increment with rvalue reference" << endl;
        ++value;
    }

• 可以使具有名稱的變量作為參數(shù)調(diào)用incr()函數(shù)。于是a是一個(gè)具有名稱的變量，因此調(diào)用接受左值引用的incr()函數(shù)。調(diào)用完incr()后，a的值將是11。

    int a = 10, b = 20;
    incr(a);        //調(diào)用incr(int &value);

• 還可以用表達(dá)式作為參數(shù)來調(diào)用inrc()函數(shù)。此時(shí)無法使用接受左值引用作為參數(shù)的incr()函數(shù)，因?yàn)楸磉_(dá)式a+b的結(jié)果是臨時(shí)的，這不是一個(gè)左值。在此情況下，會(huì)調(diào)用右值引用版本。由于參數(shù)是一個(gè)臨時(shí)值，當(dāng)incr()函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，會(huì)丟失這個(gè)增加的值。

    incr(a + b);    //將調(diào)用incr(int &&value);

• 字面量也可以作為inrc()調(diào)用的參數(shù)，此時(shí)同樣會(huì)調(diào)用右值引用版本，因?yàn)樽置媪坎荒茏鳛樽笾怠?/li>

    incr(3);        //將調(diào)用incr(int &&value);

• 如果刪除接受左值引用的incr()函數(shù)，使用名稱的變量調(diào)用incr()，例如:incr(b)，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤，因?yàn)橛抑狄脜?shù)(int &&value)永遠(yuǎn)不會(huì)與左值(b)綁定。如下所示可以使用std::move()將左值轉(zhuǎn)換為右值，強(qiáng)迫編譯器調(diào)用incr()的右值版本。當(dāng)incr()調(diào)用結(jié)束后，b的值為21。

    incr(std::move(b)); //將調(diào)用incr(int &&value);

• 右值引用并不局限于函數(shù)的參數(shù)?？梢月暶饔抑狄妙愋偷淖兞?，并對(duì)其賦值，盡管這種用法并不常見。查下看如下代碼：

    int &i = 2;     //invalid:reference to a constant
    int a = 2, b = 3;
    int &j = a + b; //invalid:reference to a temporary

• 使用右值引用后，下面的代碼完全合法：

    int &&i = 2;
    int a = 2, b = 3;
    int &&j = a + b;

• 前面示例中單獨(dú)使用右值引用的情況很少見。