【C++】入门（二）：引用、内联、auto

书接上回：【C++】入门（一）：命名空间、缺省参数、函数重载

六、引用

引用的概念

引用就是给已经存在的变量 取别名。编译器不会为引用变量开辟内存空间，它和它引用的变量共用同一块内存空间。

引用的使用场景

1. 引用做参数

作用1：输出型参数

学习C的时候 写Swap()函数 通过传实参地址的方式，使用指针交换两个变量里面的值 。而加入引用这个语法，则通过别名的方式 交换两个变量里面的值。

  void Swap(int* a, int *b)
  {
  	//...
  }
  
  void Swap(int& a, int &b)
  {
  	int tmp = a;
  	a = b;
  	b = tmp;
  }
  
  int main()
  {
  	int x = 0, y = 1;
  	Swap(&x, &y);
  	Swap(x, y);
  
  	return 0;
  }

作用2：对象比较大，减少拷贝，提高效率

对象较大的情况下，对比传值传参 和 传引用传参 的代码效率

#include 
#include
using namespace std;
struct A { int a[10000]; };
void TestFunc1(A a) {}
void TestFunc2(A& a) {}
void main()
{
	A a;
	// 以值作为函数参数
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
		TestFunc1(a);
	size_t end1 = clock();

	// 以引用作为函数参数
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
		TestFunc2(a);
	size_t end2 = clock();

	// 分别计算两个函数运行结束后的时间
	cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

我们可以看到一个40000字节的对象，分别使用传值传参、传引用传参，且传参次数10000次。两种传参方式使用的时间有一定差异。引用作为函数参数 消耗的时间小于1 ms,所以是0。

总结：这些使用场景，指针也可以适应，但是引用更方便

2. 引用作为返回值

错误示范

• 一般情况
  1️⃣ 被调函数传值返回。 返回a的拷贝 寄存在寄存器里的临时空间 函数栈帧销毁之前 这块要返回的临时空间就已经生成好了
  

int func()
{
	int a = 0;
	return a;
}
int main()
{
	int ret = func();
	cout << ret << endl;

	return 0;
}

• 错误使用引用的情况
  2️⃣ 被调函数func传引用返回。 返回a的别名 但函数调用结束，栈帧销毁，a的别名还在访问这个空间——野引用。
  

int& func()
{
	int a = 0;
	return a;
}

int main()
{
	int ret = func();
	cout << ret << endl;

	return 0;
}

3️⃣被调函数传引用返回 ，主函数引用接收。返回a的别名、用a的别名接收，意味着ret也是a的别名，但栈帧结束，变量a已经被销毁了，ret还回去访问那块空间，所以ret是野引用。

int& func()
{
	int a = 0;
	return a;
}

int main()
{
	int& ret = func();
	cout << ret << endl;

	return 0;
}

结论：返回变量出了函数作用域就生命周期就结束了，所以不能用引用返回

正确示范

什么情况下，可以用引用返回？
答：全局变量、静态变量、堆上变量 可以用引用返回

🌰 实际场景中的例子：
使用引用语法修改用C语言写的链表

struct SeqList
{
	int* a;
	int size;
	int capacity;
};

void SLInit(SeqList& sl)
{
	sl.a = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	// ..
	sl.size = 0;
	sl.capacity = 4;
}

void SLPushBack(SeqList& sl, int x)
{
	//...扩容
	sl.a[sl.size++] = x;
}

// 修改
void SLModity(SeqList& sl, int pos, int x)
{
	assert(pos >= 0);
	assert(pos < sl.size);

	sl.a[pos] = x;
}

int SLGet(SeqList& sl, int pos)
{
	assert(pos >= 0);
	assert(pos < sl.size);

	return sl.a[pos];
}

int main()
{
	SeqList s;
	SLInit(s);
	SLPushBack(s, 1);
	SLPushBack(s, 2);
	SLPushBack(s, 3);
	SLPushBack(s, 4);

	for (int i = 0; i < s.size; i++)
	{
		cout << SLGet(s, i) << " ";
	}
	cout << endl;

	for (int i = 0; i < s.size; i++)
	{
		int val = SLGet(s, i);
		if (val % 2 == 0)
		{
			SLModity(s, i, val * 2);
		}
	}
	cout << endl;

	for (int i = 0; i < s.size; i++)
	{
		cout << SLGet(s, i) << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

演进为C++玩法的版本
C++中结构体中可以定义函数 ➡️ 类 成员变量 、 成员函数

// C++
struct SeqList
{
	// 成员变量
	int* a;
	int size;
	int capacity;

	// 成员函数
	void Init()
	{
		a = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
		// ...
		size = 0;
		capacity = 4;
	}

	void PushBack(int x)
	{
		// ... 扩容
		a[size++] = x;
	}
	// 读写返回变量
	int& Get(int pos)
	{
		assert(pos >= 0);
		assert(pos < size);

		return a[pos];
	}

	int& operator[](int pos)
	{
		assert(pos >= 0);
		assert(pos < size);
return a[pos];
	}
};
int main()
{
	SeqList s;
	s.Init();
	s.PushBack(1);
	s.PushBack(2);
	s.PushBack(3);
	s.PushBack(4);

	for (int i = 0; i < s.size; i++)
	{
		//cout << s.Get(i)<< " ";
		cout << s[i] << " ";
		//cout << s.operator[](i) << " ";
	}
	cout << endl;

	for (int i = 0; i < s.size; i++)
	{
		/*if (s.Get(i) % 2 == 0)
		{
			s.Get(i) *= 2;
		}*/
		if (s[i] % 2 == 0)
		{
			s[i] *= 2;
		}
	}
	cout << endl;

	for (int i = 0; i < s.size; i++)
	{
		cout << s.Get(i) << " ";
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

3.总结引用的价值

1️⃣引用做参数
🅰️可以作为输出型参数 。🅱️对象较大，减少拷贝提高效率
2️⃣做返回值
🅰️修改返回对象。 🅱️减少拷贝提高效率

引用特性

1. 引用必须初始化：定义的引用的时候就要确定该引用是谁的别名

2. 引用定义后，不能改变指向

3. 一个变量可以有多个引用 、多个别名

int main()
{
	int a = 0;

	// 1、引用必须初始化
	//int& b;
	// b = c;

	// 2、引用定义后，不能改变指向
	int& b = a;
	int c = 2;
	b = c;  // 不是改变指向，而是赋值

	// 3、一个变量可以有多个引用，多个别名
	int& d = b;

	return 0;
}

思考：引用可以替代指针吗？
答：引用不能完全替代指针，指针和引用的功能是类似的，C++的引用，对指针使用比较复杂的场景进行一些替换，让代码更简单易懂，但是不能完全替代指针，引用不能完全替代指针原因：引用定义后，不能改变指向

🌰引用不可以替代指针的栗子：
双向链表中，必须要改变指向，但引用不能改变指向。

🌰C++的引用 对指针使用比较复杂的场景 可以进行一些替换：
例如:
原来C语言 写链表头插入 实参传头节点指针 的 地址 。形参需要用二级指针接收。

void PushBack(struct Node* phead, int x)
{
	// phead = newnode;
}

void PushBack(struct Node** pphead, int x)
{
	// *pphead = newnode;
}

现在C++ 使用引用： 给指针类型的变量（头节点指针）取别名

void PushBack(struct Node*& phead, int x)
{
	//phead = newnode;
}

int main()
{
	struct Node* plist = NULL;

	return 0;
}

📘杂七杂八的小知识点：数据结构教科书常见代码解读

//给 结构体 重命名为LNode 
//给 结构体类型的指针 重命名为 PNode
typedef struct Node
{
	struct Node* next;
	struct Node* prev;
	int val;
}LNode, *PNode;
//PNode& phead  给PNode变量（结构体类型的指针）取别名 phead 
void PushBack(PNode& phead, int x)
{
	//phead = newnode;
    //给引用赋值相当于改变PushBack（）函数外面的链表头结点指针的指向
}

引用和指针的区别（面试题）

从两个维度对比 语法角度、底层角度对比

语法：
1. 引用是别名，不开空间。指针是地址，语法上需要开空间存储地址
2. 引用必须初始化 、指针可以初始化也可以不初始化。
3. 引用不可以改变指向、指针可以改变指向
4. 引用相对更安全 ，没有空引用、但是有空指针，容易出现野指针，不容易出现野引用

底层：
汇编层面上，没有引用，引用都是用指针实现的，引用编译后也转换成指针了。

调到反汇编调试观察：

结论：底层都需要开空间1、引用在底层是用指针实现的。2、语法含义和底层实现是背离的

常引用

由于引用存在一些隐患，所以我们可以加关键字const 使用常引用 。例如下面代码，对于变量b,它是a的别名，如果对引用b修改， 那么a的值就会改变。但是如果不希望a的值被修改，我们就可以给引用前面加上const 使得引用只有读取a的值的权限，但不能修改。例如，a的引用c就是这样的权限。

int main()
{
    int a = 0;
    //eg.1权限正常的引用 
    int &b =a;//b对a可读可写
    b++;
    
    //eg.2权限缩小
    const int& c = a;//c对a只有读取权限
    
    //eg.3权限放大(错误示范)
    const int x = 10;
    //int& y = x;  //注意不能权限放大
    
    //eg.4 权限平移(正确示范)
    const int& y = x //y可以读取x的值
        
    //eg.5 
    const int& z =10; //z是常量的别名
    
    //eg.6
    const int& m = a+x;// a+x表达式的返回值 是一个临时变量 临时变量具有常性
    
    //eg.7 (错误示范)
    int& n = a+x;
    
    return 0;
}

七、内联函数

回顾：C语言如何避免函数频繁调用的问题？

➡️宏

面试题1：实现两个数相加的宏函数

#define Add(x,y) ((x)+(y))

易错点：1、宏不是函数 2、不要写分号 3、括号控制优先级

核心点：宏是预处理阶段进行替换

提问：为什么要加里面的括号？
答：因为x、y可能不是被单一变量所替换，而是其他表达式替换x、y ，防止表达式中的个别值先进性加法运算，从而运算符执行顺序和预期不符，导致运算结果错误。

面试题2：宏的优缺点

缺点：
1️⃣坑很多，不易控制 2️⃣ 不能调试 3️⃣没有安全类型的检查
优点：
增强代码复用性、提高效率

面试题3：C++有哪些技术替换宏？

1. 常量定义 换用 const enum
2. 短小函数定义 使用内联inline修饰

内联的概念

内联 : 在调用地方展开 。所指的展开就是：不建立栈帧，在当前函数的栈帧里执行要调用函数的代码

反汇编演示 具体是如何不建立栈帧展开的

思考：能不能为所有函数 都加上inline ？
不行 ，➡️ 内联函数的缺点

内联函数的缺点

使用内联🆚不使用内联

假设func()函数100 行代码，并且一共要调用1w次分别考虑使用内联 、不使用内联的情况合计起来有多少指令？
使用内联

假设inline展开，合计指令数目为：100*1w。意味着 最后的可执行程序会变得很大

​解释：100行代码在1W个位置调用，那么1w个位置都会多出100行，所以就是100W行
不使用内联

假设inline不展开，合计指令数目：100+1w

解释：1W个位置调用 底层就会是汇编指令 call func（），call func（）后会从符号表找到这个函数的地址 然后去执行该函数的代码。

总结：由此可见，如果是代码量较大的函数 使用inline 内联展开调用的话，会造成代码膨胀。所以内联函数只适合加在代码量较小的函数上！

注意：
1.inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建议：将函数规模较小、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。
2.inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址了，链接就无法找到该函数。

为什么做声明和定义分离？

如果在头文件中进行函数定义，以下代码存在函数名重定义的问题。

问题分析：
Stack.cpp 包含了头文件 Test.cpp也包含了头文件。头文件的包含 在预处理阶段 会进行内容替换。也就是说Add()函数被定义两次。Stack.cpp Test.cpp 会分别产生Stack.o、Test.o。链接的时候 会把他们的符号表合并在一起，各自都有叫函数名修饰过的Add()函数，编译器就会认为函数重定义。

所以我们要做声明和定义分离！

//Stack.h
#progam once
#include
using namespace std
int Add(int a,int b)
{
    cout<<"int Add(int a,int b)"<<endl;
    return a+b;
}
//Stack.cpp
#include"Stack.h"
//Test.cpp
#include"Stack.h"
int main()
{
    Add(1,2);
    return 0;
}

总结：解决重定义的方案？

1.声明和定义分离

2.Static，改变链接属性，该函数地址不会加入符号列表，只在当前文件可见。(适用于大函数)

3.使用内联函数，因为要在调用处展开，所以该函数地址也不会加入符号列表。（适用于小函数）

//Stack.h
#progam once
#include
using namespace std
inline int Add(int a,int b)
{
    cout<<"int Add(int a,int b)"<<endl;
    return a+b;
}
//Stack.cpp
#include"Stack.h"
//Test.cpp
#include"Stack.h"
int main()
{
    Add(1,2);
    return 0;
}

八、auto关键字

简介

C++11规定，程序员使用auto关键字就可以不指定数据类型，编译器通过右边的值的类型自动推导出左边值的数据类型。使用auto关键字 必须初始化，因为在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

使用细则

1.auto与指针和引用结合起来使用
auto* 必须初始化为指针 ，auto声明引用类型时则必须加&
🌰栗子

auto p1 = &i
auto* p2 = &i;
//auto* p3 = i;//会报错
auto& r = a;

2.当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量

void TestAuto()
{
    auto a = 1, b = 2; 
    auto c = 3, d = 4.0;  // 该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同
}

auto不能推导的场景

1、auto不能作为函数的参数

// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a) 
{} 

2、auto不能直接用来声明数组

void TestAuto() 
{ 
int a[] = {1,2,3}; 
auto b[] = {4，5，6};
} 

3、为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法

4、auto在实际中最常见的优势用法就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环，还有 lambda表达式等进行配合使用

九、基于范围的for循环(C++11)

依次取数组中值赋值给e，自动迭代，自动判断结束

for (auto e : array)
{
	cout << e << " ";
}
cout << endl;

十、指针空值nullptr(C++11)

C语言中 我们这样初始化指针：

int* p1 = NULL;

但在C++中， NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

 #ifndef NULL
 #ifdef __cplusplus
 #define NULL    0
 #else
 #define NULL    ((void *)0)
 #endif
 #endif

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void*)的常量。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如：类型匹配的问题

void f(int)
{
	cout << "f(int)" << endl;
}
void f(int*)
{
	cout << "f(int*)" << endl;
}
int main()
{
	f(0);
	f(NULL);
	f((int*)NULL);
	return 0;
}

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的 初衷相悖。

在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器 默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void*)0 。

注意：

1、在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入 的。

2、在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。

3、为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr