C/C++ | 每日一练 (5)

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文章目录

C/C++ | 每日一练 (5)
- 题目
- 参考答案
- - 引用
  - 引用和指针的区别
  - - 语法
    - 使用方式
    - 安全和易用性
  - 底层差异
  - 注意事项
  - - 引用的生命周期
    - 常量引用
    - 引用和函数参数

C/C++ | 每日一练 (5)

题目

什么是引用？引用和指针的区别是什么？

参考答案

引用

在 c++ 中，引用是为变量提供了一个别名，使得对引用的操作等同于对原始变量的操作。

需要注意的是，引用必须在声明时初始化，并且一旦初始化后，就与它所引用的变量绑定在一起，不能改变引用的目标。

给出引用的定义，如下所示：

int a = 10;
int& ref = a;  // ref 是 a 的引用

此时，ref 和 a 是同一个变量的两个名字，对 ref 的操作等同于对 a 的操作。

注意：本文章中的 “引用” 只讨论作为左值引用，不讨论右值引用的概念和差异。

引用和指针的区别

引用和指针虽然都可以用来操作变量，但它们在具体的使用方式上确实有很大的不同。

下面从：语法、使用方式、安全和易用性这几个方面进行说明。

语法

引用

引用在其声明时必须初始化，且不能改变引用的目标。
另外引用的语法类似于变量的声明，但需要在类型后面添加 & 符号。
引用没有自己的内存地址，它和所引用的变量共享同一个内存地址。

指针

指针可以不初始化（nullptr），也可以随时改变指向的目标。
指针的声明需要在类型前加 *，并且需要通过解引用操作符 * 来访问指针所指向的内容。
指针有自己的内存地址，存储的是目标变量的地址。

使用方式

引用

引用常用于函数参数传递（避免拷贝）和返回值（返回对象的别名）。

void increment(int &x)
{x++; // 直接操作引用
}int main()
{int a = 10;increment(a); // 传递引用return 0;
}

指针

指针常用于动态内存分配（如 new 和 delete）、链表等数据结构。

#include <iostream>int main(int argc, char const *argv[])
{int *a = new int();*a = 10;std::cout << *a << std::endl; // 10delete a;return 0;
}

安全和易用性

引用

引用更安全，因为它不能为 nullptr，并且不能改变引用的目标。

int main()
{int *ptr = nullptr; // 合法// int &ref = nullptr; // 错误：引用不能为nullptrint a = 10;int b = 20;int &ref = a;ref = b;	// 注意：这句话的含义并不是将ref重新指向b,而是将b的值赋值给a,因为ref是a的引用return 0;
}

引用的使用方式更直观，代码更简洁。

指针

指针更为灵活，但同时也更容易出错，例如野指针（指向无效内存的指针）、空指针解引用。
指针使用时需要注意更多的边界检查，例如检查是否为 nullptr。

底层差异

为了从底层更为深入的了解引用和指针的差异，下面给出一段代码，将这段代码编译成会汇编，从汇编的角度观察两者之间的区别，如下所示：

void increment(int& x) {x = x + 1;
}int main() {int a = 10;increment(a);return a;
}

汇编代码如下所示：

$ cat test.s
_Z9incrementRi:	pushq   %rbp		   # 建立_Z9incrementRi函数栈帧movq    %rsp, %rbpmovq    %rdi, -8(%rbp) # 通过rdi寄存器传递，保存参数x的地址movq    -8(%rbp), %rax # 将x的地址加载到%raxmovl    (%rax), %eax   # 通过地址加载x的值leal    1(%rax), %edx  # x + 1，结果存储在%edxmovq    -8(%rbp), %rax # 再次加载x的地址movl    %edx, (%rax)   # 将结果写回到x的地址noppopq    %rbp		   # 恢复栈帧ret					   # 返回
main:endbr64		pushq   %rbp		   # 建立main函数栈帧movq    %rsp, %rbpsubq    $16, %rspmovq    %fs:40, %raxmovq    %rax, -8(%rbp)xorl    %eax, %eaxmovl    $10, -12(%rbp)	# 初始化变量a = 10leaq    -12(%rbp), %rax	# 获取a的地址movq    %rax, %rdi		# 将a的地址传递给incrementcall    _Z9incrementRi	# 调用increment函数movl    -12(%rbp), %eax # 将a的值加载到返回寄存器eaxmovq    -8(%rbp), %rdx	# 检查栈subq    %fs:40, %rdxje      .L4call    __stack_chk_fail@PLT
.L4:leaveret						# 返回

以上汇编代码并不完整，只保留核心代码逻辑。

从以上的代码中可以看出，引用在底层是通过指针实现的。c++ 中的引用本质上是一个“隐藏的指针”，它通过地址直接操作变量。

注意事项

从之前的分析可以看出，引用是一个非常强大且实用的特性，但是在平时使用过程中也有一些使用上的注意事项和限制。

引用的生命周期

引用的生命周期必须与其绑定的对象一致，否则可能导致未定义行为。

#include <iostream>int& getRef() {int a = 10;return a;  // warning: reference to local variable ‘a’ returned [-Wreturn-local-addr]
}int main() {int &b = getRef();std::cout << b << std::endl;	// Segmentation fault (core dumped)return 0;
}

在上面的代码中，a 是局部变量，函数返回后 a 的生命周期结束，返回的引用 b 此时指向了一个已经销毁的对象，打印的 b 会导致未定义的行为，从而报错段错误。

常量引用

Best Praetices：如果函数无须改变引用形参的值，最好将其声明为常量引用，以提高代码的安全性和效率。

#include <iostream>void printVal(const int &x)
{std::cout << x << std::endl;
}int main(int argc, char const *argv[])
{printVal(10);return 0;
}

使用 const 引用可以避免不必要的拷贝，同时又保证在函数内部不会修改传入的对象。

引用和函数参数

使用引用作为函数参数时，需要确保传递的参数是有效的对象，不能传递字面量或临时对象（除非是 const 引用或者是右值引用）。

本文章不对右值引用进行讨论。

#include <iostream>void printVal(int &x)
{std::cout << x << std::endl;
}int main(int argc, char const *argv[])
{// printVal(10);	// error: cannot bind non-const lvalue reference of type ‘int&’ to an rvalue of type ‘int’return 0;
}