C++ 引用

引用简介

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）。

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。

引用的定义方式类似于指针，只是用&取代了*，语法格式为：

1	type &name = data;

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。

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：

1 2	const type &name = value; type const &name = value;

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。

引用除了可以作为函数形参，还可以作为函数返回值。

#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;
}

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。

引用与指针

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。

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
可以有 const 指针，但是没有 const 引用
指针可以有多级，但是引用只能有一级
指针和引用的自增（++）自减（–）运算意义不一样

引用与临时数据

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。

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。

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。

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。

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。

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;
}

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。

绑定临时数据

当使用 const 关键字对引用加以限定后，引用就可以绑定到临时数据了。

将常引用绑定到临时数据时，编译器采取了一种妥协机制：编译器会为临时数据创建一个新的、无名的临时变量，并将临时数据放入该临时变量中，然后再将引用绑定到该临时变量。注意，临时变量也是变量，所有的变量都会被分配内存。

S operator+(const S &A, const S &B){
    S C;
    C.a = A.a + B.a;
    C.b = A.b + B.b;
    return C;
}

const 引用和普通引用不一样，只能通过 const 引用读取数据的值，而不能修改它的值，所以不用考虑同步更新的问题，也不会产生两份不同的数据，为 const 引用创建临时变量反而会使得引用更加灵活和通用。

int a = 100;
isOdd(a);  //正确
isOdd(a + 9);  //正确
isOdd(27);  //正确
isOdd(23 + 55);  //正确

bool isOdd(const int &n){  //改为常引用
    if(n/2 == 0){
        return false;
    }else{
        return true;
    }
}

对于第 2 行代码，编译器不会创建临时变量，会直接绑定到变量 a；对于第 3~5 行代码，编译器会创建临时变量来存储临时数据。也就是说，编译器只有在必要时才会创建临时变量。

引用与转换类型

编译器禁止指针指向不同类型的数据。

int n = 100;
int *p1 = &n;  //正确
float *p2 = &n;  //错误
char c = '@';
char *p3 = &c;  //正确
int *p4 = &c;  //错误

float *类型的指针不能指向 int 类型的数据，int *类型的指针也不能指向 char 类型的数据。

当对引用添加 const 限定后，编译器允许引用绑定到类型不一致的数据。

int n = 100;
int &r1 = n;  //正确
const float &r2 = n;  //正确
char c = '@';
char &r3 = c;  //正确
const int &r4 = c;  //正确

当引用的类型和数据的类型不一致时，如果它们的类型是相近的，并且遵守「数据类型的自动转换」规则，那么编译器就会创建一个临时变量，并将数据赋值给这个临时变量（这时候会发生自动类型转换），然后再将引用绑定到这个临时的变量，这与「将 const 引用绑定到临时数据时」采用的方案是一样的。

总结

给引用添加 const 限定后，不但可以将引用绑定到临时数据，还可以将引用绑定到类型相近的数据，这使得引用更加灵活和通用，它们背后的机制都是临时变量。

当引用作为函数参数时，如果在函数体内部不会修改引用所绑定的数据，那么请尽量为该引用添加 const 限制。