C++从入门到实战（四）C++引用与inline，nullptr

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前言

• 在上一篇博客中，我们深入探讨了 C++ 中两个重要特性：缺省参数与函数重载。

上一篇博客地址
https://blog.csdn.net/2402_83322742/article/details/145355328?spm=1001.2014.3001.5501

缺省参数让函数调用更加简便，维护更为轻松；函数重载则增强了代码的可读性和灵活性。通过掌握这两个特性，我们能够编写出更具灵活性和高效性的代码。

• 这一篇，我们将继续探索 C++ 中另外几个重要的知识点：C++ 引用、inline 关键字以及 nullptr。这些内容将进一步丰富我们对 C++ 语言的理解，为编写更加复杂和高效的程序提供有力支持。

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一、C++ 引用

（一）什么是引用

• 引用不是新定义一个变量，而是给已存在变量取了一个别名，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。比如：水浒传中李逵，宋江叫 “铁牛”，江湖上人称 “黑旋风”；林冲，外号豹子头；

类型 & 引用别名 = 引用对象；

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int a = 0;int& b = a;int& c = a;//对d相当于还是a的引用int& d = b;cout << &a << endl;cout << &b << endl;cout << &c << endl;cout << &d << endl;return 0;
}

上述代码中，b 是 a 的引用，对 b 的操作等同于对 a 的操作，对d相当于还是a的引用

（二）引用的特点

• 1.必须初始化：引用在定义时必须初始化，即必须指定它是哪个变量的别名。

// 错误示例
int& ref; 

• 2.一旦初始化后，就不能再引用其他变量：

int a = 10;
int b = 20;
int& ref = a;
// ref = b; // 这里不是让 ref 引用 b，而是将 b 的值赋给 ref（也就是 a）

• 3.一个变量可以有多个引用：

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{int a = 10;// 编译报错: “ra”: 必须初始化引用//int& ra;int& b = a;int c = 20;// 这里并非让b引用c, 因为C++引用不能改变指向,// 这里是一个赋值b = c;cout << &a << endl;cout << &b << endl;cout << &c << endl;return 0;
}

（三）引用作为函数参数

引用作为函数参数，可以在函数内部修改传入变量的值，而且相比于指针，代码更加简洁和安全。

void swap(int& a, int& b) {int temp = a;a = b;b = temp;
}int main() {int num1 = 5;int num2 = 10;swap(num1, num2);std::cout << "num1: " << num1 << ", num2: " << num2 << std::endl; return 0;
}

在这个 swap 函数中，通过引用参数直接操作实参，实现了两个数的交换。

（四）引用作为函数返回值

引用也可以作为函数的返回值，这样函数返回的是一个变量的引用，而不是变量的副本。

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int& getElement(int index) 
{return arr[index];
}int main() 
{getElement(2) = 10; std::cout << "arr[2]: " << arr[2] << std::endl; return 0;
}

（五）引用的使用

• 1.C++ 中引用在实际应用里，主要用在引用传参和引用做返回值的场景。

引用传参
比如下面这个交换两个数的函数，使用引用传参能直接改变传入的实参值，还减少了数据拷贝，提高效率。而且改变引用对象时，被引用对象也会跟着变。

#include <iostream>
void swap(int& a, int& b) {int temp = a;a = b;b = temp;
}
int main() {int num1 = 5;int num2 = 10;swap(num1, num2);std::cout << "num1: " << num1 << ", num2: " << num2 << std::endl;return 0;
}

• 2. 引用传参和指针传参对比

引用传参和指针传参功能差不多，但引用传参用起来更方便。指针传参如下

#include <iostream>
void swap(int* a, int* b) {int temp = *a;*a = *b;*b = temp;
}
int main() {int num1 = 5;int num2 = 10;swap(&num1, &num2);std::cout << "num1: " << num1 << ", num2: " << num2 << std::endl;return 0;
}

可以看到，引用传参在函数调用时不需要像指针那样取地址（&），在函数内部使用时也不需要像指针那样解引用（*） 。

• 3.引用和指针对比

引用和指针在实际编程中都很重要，功能有重叠但各有特点，不能互相替代。C++ 的引用和 Java 的引用区别较大，C++ 引用定义后不能改指向，Java 的可以。

二、Const引用

（1）const 引用是干什么的

const 引用就是加了 “规矩” 的引用。这个 “规矩” 就是：不能通过这个引用去修改它引用的对象。就好像你给一个东西上了把锁，只能看不能动。

（2）引用 const 对象

• 假如有个变量是 const 的，这就说明这个变量是 “只读” 的，不能被修改。
• 你要是想用引用去访问它，也得用 const 引用

• 打个比方，有个宝箱被施了魔法，只能看不能打开（const 变量），你要是想用一个能打开宝箱的钥匙（普通引用）去开它，肯定不行啊，这就违反魔法规则了。代码里就是这样：

const int a = 10;
// 下面这行代码会报错，因为普通引用就像能打开宝箱的钥匙，违反了魔法规则
// int& ra = a; 
const int& ra = a; // 用 const 引用就对啦，就像用了一把只能看宝箱的钥匙

（3）const 引用引用普通对象

• const 引用也可以引用普通对象

• 这就好比一个普通人（普通变量），你给他戴上一个 “不能随便乱动” 的帽子（const 引用），虽然他本来可以自由活动，但戴上帽子后就只能乖乖待着了。这其实就是访问权限的缩小，是允许的。

int b = 20;
const int& rb = b; // 给 b 戴上“不能随便乱动”的帽子
// 下面这行代码会报错，因为不能通过 rb 去修改 b
// rb = 30; 

（4）引用和指针的关系

• 指针和引用就像 C++ 编程世界里的两兄弟，它们既有相似之处，又各有特点

3.1相同点

• 指针和引用都和变量相关，能用来操作其他变量，功能上有重叠，都可以间接访问别的变量。
• 比如，你想找到房间里的某样东西，既可以通过知道这个东西所在的房间号（指针指向变量地址），也可以通过记住这个东西的另一个称呼（引用给变量取别名）来找到它。

3.2不同点

• 1.本质不同

引用：就像是给变量取了个外号，它和被引用的变量其实是同一个东西，不需要额外的存储空间。比如一个人叫张三，大家也叫他小张，小张和张三指的就是同一个人。
指针：是专门用来存放变量地址的，需要开辟额外的存储空间。就好比一个小本子，上面记录着某个东西所在的房间号。

• 2.初始化要求不同

引用：就像给人取外号，得一开始就明确是给谁取的，所以引用在定义的时候必须进行初始化，之后就不能再换 “对象” 了。比如你一开始给张三取了小张这个外号，就不能再把小张这个外号给别人了。
指针：虽然建议在定义的时候就初始化，但语法上不是必须的。就像小本子你可以先空着，等需要的时候再记录房间号。不过不初始化可能会导致一些问题。

• 3.指向的灵活性不同

引用：一旦确定引用的对象，就不能再引用其他对象了，它会 “从一而终”。就像外号一旦确定给了某个人，就不能再给别人用了。
指针：可以不断改变指向的对象，就像小本子上可以随时擦掉原来的房间号，写上新的房间号。

• 4.访问方式不同

引用：可以直接访问指向的对象，因为它就是对象的别名，就像叫小张其实就是在叫张三，能直接找到这个人。
指针：需要通过解引用操作才能访问指向的对象，就像你只知道房间号，得拿着这个号去找到对应的房间，才能拿到里面的东西。

• 5.sizeof 结果不同

引用：sizeof 得到的是引用类型的大小，也就是被引用对象的大小。就像问小张占多大空间，其实就是问张三占多大空间。
指针：sizeof 得到的是地址空间所占的字节数，在 32 位平台下占 4 个字节，64 位平台下占 8 个字节。不管指针指向的是什么类型的对象，它记录的都是地址，所以大小是固定的，就像小本子不管记录的是哪个房间号，它本身的大小是不变的。

• 6.安全性不同

引用：很少出现空引用和类似指针的错误情况，使用起来相对更安全，因为它一开始就确定了引用的对象，而且不会改变。就像外号不会叫错人。
指针：容易出现空指针（小本子上没写房间号）和野指针（小本子上写的房间号是错的或者已经无效了）的问题，使用时需要格外小心。

三、nullptr

（一）nullptr 是什么

• 在 C++ 中，nullptr 是一个关键字，用于表示空指针。
• 在 C++ 之前，通常用 NULL 来表示空指针，NULL 实际上是一个宏定义，在不同的编译器中可能被定义为 0 或者 (void*)0。而 nullptr 专门用于表示空指针，类型为 std::nullptr_t，可以避免一些与 0 或 NULL 相关的二义性问题。例如：

int* ptr1 = nullptr;
// int* ptr2 = NULL; // 虽然也能表示空指针，但可能存在二义性

（二）nullptr 与 NULL 的区别

类型安全：nullptr 具有明确的类型 std::nullptr_t，而 NULL 可能被定义为 0，这可能导致一些重载函数调用的二义性。例如：

void func(int num) 
{std::cout << "func(int): " << num << std::endl;
}
void func(int* ptr) {std::cout << "func(int*): " << (ptr? "not null" : "null") << std::endl;
}
int main() {func(nullptr); // 明确调用 func(int*)// func(NULL); // 可能会调用 func(int)，产生二义性return 0;
}

四、inline 关键字

（一）什么是 inline 函数

• inline 关键字用于定义内联函数。
• 内联函数的作用是在编译时，将函数调用处用函数体替换，减少函数调用的开销，提高程序执行效率。

#include <iostream>// 定义一个内联函数，用于计算两个整数的和
inline int add(int a, int b) {return a + b;
}int main() {int x = 3, y = 5;// 调用内联函数int result = add(x, y); std::cout << "The result is: " << result << std::endl;return 0;
}

（二）与C语言宏函数对比

C 语言宏函数：宏函数只是简单的文本替换，不会进行类型检查。

// 定义宏函数
#define ADD(a, b) ((a) + (b))

#define SQUARE(x) ((x) * (x))
// 调用时传入字符串，预处理器仍会进行替换，可能导致运行时错误
char* str = "test";
int res = SQUARE(str); 

C++ 内联函数作为真正的函数，C++ 内联函数会进行严格的类型检查。

inline double square(double num) {return num * num;
}
// 调用时，如果传入整数，会进行隐式类型转换
int result = square(5); 

C++ 内联函数：内联函数是真正的函数，在调试时可以像普通函数一样进行调试，能够方便地设置断点、查看变量值等。而且内联函数的代码结构清晰，易于维护和理解。例如，使用调试器可以单步进入内联函数的代码。
C 语言宏函数：宏函数的调试相对困难，因为预处理器在编译前就完成了文本替换，调试器看到的是替换后的代码，很难直接定位到宏定义的位置。同时，宏函数的代码可能会因为复杂的替换规则而变得难以理解和维护。

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以上就是这篇博客的全部内容，下一篇我们将继续探索 C++ 的更多精彩内容。

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