C++ 中的引用

如果一个变量被声明为引用，那它就成了一个已有变量的别名。一个变量可以通过在声明的时候加 & 而成为引用。

此外，还可以将引用变量定义为一种类型，它可以作为另一个变量的引用。& 用于表示变量或任何内存的地址。与引用变量关联的变量，既可以通过变量名访问，也可以通过与之关联的引用变量访问。

语法：

data_type &ref = variable;

例子:

// C++ Program to demonstrate 
// use of references
#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int x = 10;// ref is a reference to x.int& ref = x;// Value of x is now changed to 20ref = 20;cout << "x = " << x << '\n';// Value of x is now changed to 30x = 30;cout << "ref = " << ref << '\n';return 0;
}

输出：

x = 20
ref = 30

C++ 引用的应用

C++中的引用有很多的应用，如下是其中的一些：

1. 修改函数中传递的参数；
2. 避免复制大型结构；
3. for 循环中修改所有对象；
4. for 循环中避免复制对象；

1. 修改函数中传递的参数

如果一个函数接收到了一个变量的引用，它可以修改这个变量的值。如下程序变量是使用引用交换的。

// C++ Program to demonstrate
// Passing of references as parameters
#include <iostream>
using namespace std;// Function having parameters as
// references
void swap(int& first, int& second)
{int temp = first;first = second;second = temp;
}// Driver function
int main()
{// Variables declaredint a = 2, b = 3;// function calledswap(a, b);// changes can be seen// printing both variablescout << a << " " << b;return 0;
}

输出：

3 2

2. 避免复制大型结构

想象一下，一个函数必须接收一个大对象。如果我们没有使用引用来传递，那么它的一个新副本就会被创建，这回导致CPU时间和内存的浪费。可以使用引用来避免这种情况。

struct Student {string name;string address;int rollNo;
}// If we remove & in below function, a new
// copy of the student object is created. 
// We use const to avoid accidental updates
// in the function as the purpose of the function
// is to print s only.
void print(const Student &s)
{cout << s.name << "  " << s.address << "  " << s.rollNo<< '\n';
}

3. for 循环中修改所有对象

我们可以在每个循环中使用引用来修改所有元素。

// C++ Program for changing the
// values of elements while traversing
// using references
#include <iostream>
#include <vector>using namespace std;// Driver code
int main()
{vector<int> vect{ 10, 20, 30, 40 };// We can modify elements if we// use referencefor (int& x : vect) {x = x + 5;}// Printing elementsfor (int x : vect) {cout << x << " ";}cout << '\n';return 0;
}

输出：

15 25 35 45 

4. for 循环中避免复制对象

我们可以在每个循环中使用引用，以避免在对象很大时复制单个对象。

// C++ Program to use references
// For Each Loop to avoid the
// copy of objects
#include <iostream>
#include <vector>using namespace std;// Driver code
int main()
{// Declaring vectorvector<string> vect{ "geeksforgeeks practice","geeksforgeeks write","geeksforgeeks ide" };// We avoid copy of the whole string// object by using reference.for (const auto& x : vect) {cout << x << '\n';}return 0;
}

输出

geeksforgeeks practice
geeksforgeeks write
geeksforgeeks ide

References vs Pointers

引用和指针都可以用于在一个函数中修改另一个函数的局部变量。当作为参数传递给函数或从函数返回时，它们都可以用来避免复制大对象，从而提高效率。尽管有上述相似之处，引用和指针之间还是有以下区别。

1. 指针可以被声明为 void，但引用不可以

   int a = 10;
   void* aa = &a; // it is valid
   void& ar = a;  // it is not valid
   

2. 指针变量有n层/多层的间接，即单指针、双指针、三指针。然而，引用变量只有一个间接层次。下面的代码揭示了上述几点:

   // C++ Program to demonstrate
   // references and pointers
   #include <iostream>
   using namespace std;// Driver Code
   int main()
   {// simple or ordinary variable.int i = 10;// single pointerint* p = &i;// double pointerint** pt = &p;// triple pointerint*** ptr = &pt;// All the above pointers differ in the value they store// or point to.cout << "i = " << i << "\t"<< "p = " << p << "\t"<< "pt = " << pt << "\t"<< "ptr = " << ptr << '\n';// simple or ordinary variableint a = 5;int& S = a;int& S0 = S;int& S1 = S0;// All the references do not differ in their// values as they all refer to the same variable.cout << "a = " << a << "\t"<< "S = " << S << "\t"<< "S0 = " << S0 << "\t"<< "S1 = " << S1 << '\n';return 0;
   }
   

   输出：

   i = 10    p = 0x7ffecfe7c07c    pt = 0x7ffecfe7c080    ptr = 0x7ffecfe7c088
   a = 5    S = 5    S0 = 5    S1 = 5
   

3. 引用变量不能更新；
4. 引用变量是一个内部指针；
5. 引用变量的声明前面有&符号(但不要将其读作“address of”)。

引用的限制

1. 一个引用一旦被创建，它就不能再引用另一个对象；它不能被重置。这通常使用指针完成。
2. 引用不能是NULL。指针经常用 NULL 来表示它没有指向任何有效的东西。
3. 引用必须在声明的时候初始化，而指针没有该限制。

由于上面的限制，C++中的引用不能用于实现如链表、树等数据结构。Java 中，引用没有上述限制，可以用于实现所有的数据结构。Java不需要指针的主要原因是引用功能更强大。

使用引用的优点

1. 更安全：由于引用必须初始化，所以像野指针这样的野引用不太可能存在。但仍然有可能存在不指向有效位置的引用（见下面练习中的第5和6题）
2. 使用更方便：引用不需要解引用运算符来访问值。它们可以像普通变量一样使用。& 运算符只有在声明的时候需要。此外，对象引用的成员可以通过点运算符（.） 访问，而不像指针，需要箭头运算符（->） 才能访问成员。

除了上述原因，还有一些地方如拷贝构造函数不能使用指针。在拷贝构造函数中必须使用引用传递实参，类似地，重载某些运算符如++时必须使用引用。

练习

Quesition 1

#include <iostream>
using namespace std;int& fun()
{static int x = 10;return x;
}int main()
{fun() = 30;cout << fun();return 0;
}

输出：

30

Question 2

#include <iostream>
using namespace std;int fun(int& x) { return x; }int main()
{cout << fun(10);return 0;
}

输出：

./3337ee98-ae6e-4792-8128-7c879288221f.cpp: In function 'int main()':
./3337ee98-ae6e-4792-8128-7c879288221f.cpp:8:19: error: invalid initialization of non-const reference of type 'int&' from an rvalue of type 'int'cout << fun(10);^
./3337ee98-ae6e-4792-8128-7c879288221f.cpp:4:5: note: in passing argument 1 of 'int fun(int&)'int fun(int& x) { return x; }

Question 3

#include <iostream>
using namespace std;void swap(char*& str1, char*& str2)
{char* temp = str1;str1 = str2;str2 = temp;
}int main()
{char* str1 = "GEEKS";char* str2 = "FOR GEEKS";swap(str1, str2);cout << "str1 is " << str1 << '\n';cout << "str2 is " << str2 << '\n';return 0;
}

输出：

str1 is FOR GEEKS
str2 is GEEKS

Question 4

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int x = 10;int* ptr = &x;int&* ptr1 = ptr;
}

输出：

./18074365-ebdc-4b13-81f2-cfc42bb4b035.cpp: In function 'int main()':
./18074365-ebdc-4b13-81f2-cfc42bb4b035.cpp:8:11: error: cannot declare pointer to 'int&'int&* ptr1 = ptr;

Question 5

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int* ptr = NULL;int& ref = *ptr;cout << ref << '\n';
}

输出：

timeout: the monitored command dumped core
/bin/bash: line 1:    34 Segmentation fault      timeout 15s ./372da97e-346c-4594-990f-14edda1f5021 < 372da97e-346c-4594-990f-14edda1f5021.in

Question 6

#include <iostream>
using namespace std;int& fun()
{int x = 10;return x;
}int main()
{fun() = 30;cout << fun();return 0;
}

输出：

0