本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

认识

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：李逵，梁山中称为"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"。

格式

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

演示

void TestRef(){
	int a = 10;
	int& ra = a;	//<====定义引用类型
	printf("%p\n", &a);
	printf("%p\n", &ra);
}

【注】：引用类型必须和引用实体是同种类型的。

引用特性

引用在定义时必须初始化。
一个变量可以有多个引用。
引用一旦引用一个实体，不再能引用其他实体。

void TestRef(){
	int a = 10;
	// int& ra;   该条语句编译时会出错
	int& ra = a;
	int& rra = a;		//一个变量的多个引用
	int& x_a = rra;		//给别名再取别名也是合法的
	printf("%p\n%p\n", &a, &ra);
}

输出结果：在这里插入图片描述由输出结果我们就可以理解之所以说是变量的别名，因为其二者的地址都是同一块内存。无论对ra操作还是对a操作都是等效的。

常引用

前面所讲的是普通引用。下来就引入常引用的概念，表示只读取值，不会进行值修改的引用。

引用也并非任何情形都是可以创建的，比如常引用情况要求就非常苛刻。

void TestConstRef(){
	const int a = 10;
	//int& ra = a; 		该语句编译时会出错，a为常量，所以要加上 const
	const int& ra = a;
	// int& b = 10; 	该语句编译时会出错，b为常量，所以要加上 const
	const int& b = 10;
	
	double d = 12.34;
	//int& rd = d; 		该语句编译时会出错，类型不同
	const int& rd = d;
}

给变量a取别名ra，并不是直接把a的值拷贝给ra，而是生成一份临时文件，这个==临时变量==具有常性，相当于const修饰的变量，所以别名也需要使用const来修饰。故ra不是变成了a的别名，而是变成了a的临时变量的别名。

使用场景

做参数

使用函数传值无法达到效果，形参的改变不会影响实参。 C语言使用函数传地址（指针）方式，开销较大。 C++提倡使用函数传引用，效率更高，笔者会在后半段博客中使用程序来比较。

void Swap(int& left, int& right){
	int temp = left;
	left = right;
	right = temp;
}

函数中的left与right是函数参数的声明，在调用函数时才是函数参数的定义，此时才会创建Swap函数的栈帧，给其开辟空间。

做返回值

int& TestRefReturn(int& a){
	a += 10;
	return a;
}

如果函数返回时，离开函数作用域后，其栈上空间已经还给系统，因此不能用栈上的空间作为引用类型返回。

如果以引用类型返回，返回值的生命周期必须不受函数的限制(即比函数生命周期长，可以为全局变量或成员变量)。

代码示例分析

int& Add(int a, int b){
	int c = a + b;
	return c;
}
int main(){
	int& ret = Add(1, 2);
	Add(3, 4);
	cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
	return 0;
}

函数运行结果为7

第一次调用Add函数：创建了这个函数的栈帧，在函数生命周期中计算出了变量c的值。然后函数逻辑结束返回，创建的栈上的内存全部释放归还给操作系统，局部变量c的内存被销毁了，但是返回的引用是对c的拷贝的引用，所以可以正常返回。使用传引用返回，相当于标记了这部分内存为一个别名。
第二次调用Add函数再次创建新的栈帧，创建了新的c变量，它的内存地址与上一次完全一致，所以提取到这块内存中的值就为计算出来的7，最后cout输出时就输出了7。

如果将Add(3, 4);这一语句改为其他非Add函数调用的语句，例如cout某值，就会输出随机值，因为此时创建的函数栈帧中这块内存的内容并非数字。所以传引用返回一定要谨慎！它的使用场景在于对于成员变量与全局变量的传引用返回。

如果函数不以int&引用返回就是一步内存访问越界操作，相当于一个野指针（垂悬指针）。

【小结】：不能返回一个栈上变量的引用。

传值、传引用效率比较

以值作为参数或者返回值类型，在传参和返回期间，函数不会直接传递实参或者将变量本身直接返回，而是传递实参或者返回变量的一份临时的拷贝，因此用值作为参数或者返回值类型，效率是非常低下的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。

作为函数参数

#include <time.h>
struct A{
	int a[10000];
};
void TestFunc1(A a){}
void TestFunc2(A& a){}
void TestRefAndValue(){
	A a;
	
	// 1. 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();
	
	// 2. 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(int*)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2(int&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

// 运行多次，检测值和引用在传参方面的效率区别
int main(){
	for (int i = 0; i < 10; ++i){
		TestRefAndValue();
	}
	return 0;
}

输出结果：结果我们可以看到TestFunc1固定为70000， TestFunc2固定为0

作为返回值类型

#include <time.h>
struct A{
	int a[10000];
};
A a;
A TestFunc1(){
	return a;
}
A& TestFunc2(){
	return a;
}
void TestReturnByRefOrValue(){
	// 以值作为函数的返回值类型
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc1();
	size_t end1 = clock();
	
	// 以引用作为函数的返回值类型
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc2();
	size_t end2 = clock();
	
	// 计算两个函数运算完成之后的时间
	cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}

// 测试运行10次，值和引用作为返回值效率方面的区别
int main(){
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
		TestReturnByRefOrValue();
	return 0;
}

输出结果：结果我们可以看到TestFunc1不固定：70000、90000、110000都有， TestFunc2固定为0

通过上述代码的比较，发现传值和传指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

引用和指针的区别

在语法概念上引用就是一个别名，没有独立空间，和其引用实体共用同一块空间。

int main(){
	int a = 10;
	int& ra = a;
	cout << "&a = " << &a << endl;
	cout << "&ra = " << &ra << endl;
	return 0;
}

在底层实现上实际是有空间的，因为引用是按照指针方式来实现的。

int main(){
	int a = 10;
	int& ra = a;
	ra = 20;
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	return 0;
}

通过对比引用和指针的反汇编代码，我们可以看出它们在底层实现上都是通过==指针==完成的。在这里插入图片描述

引用和指针的不同点：

引用在定义时必须初始化，指针没有要求。
引用在初始化时引用一个实体后，就不能再引用其他实体，而指针可以在任何时候指向任何一个同类型实体。
没有NULL引用，但有NULL指针。
在sizeof中含义不同：引用结果为引用类型的大小，但指针始终是地址空间所占字节个数(32位平台下占4个字节)。
引用自加即引用的实体增加1，指针自加即指针向后偏移一个类型的大小。
有多级指针，但是没有多级引用。
访问实体方式不同，指针需要显式解引用，而引用是编译器自己处理。
引用比指针使用起来相对更安全。

C++ 引用