C++入门 “引用”,“内联函数” 详解

目录

一.引用

1.引用的概念:

2.引用的格式:

3.引用的特性

4.取别名原则:

 难点:隐式类型转换的引用

5.引用的使用场景:

【1】做参数:

【2】做返回值

(1)int& Count()  的讲解

(2)传值、传引用效率比较

6.引用和指针的不同点:

二.内联函数

1.概念:

 2.写法和作用:

3.如何通过汇编查看内联后的结果?

4.为什么要有内联函数:

5.特性

6.内联函替换后指令变多真的提高效率了吗?——确实提高了


一.引用

1.引用的概念:

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。

2.引用的格式:

类型 & 引用变量名 ( 对象名 ) = 引用实体; 

举例如下:

注意:引用类型必须和引用实体同种类型

3.引用的特性

(1). 引用在 定义时必须初始化
例如: int& d;  这样就是没有初始化是错的
(2). 一个变量可以有多个引用
	int a = 10;
	int& b = a;
	int& c = b;
	int* p = &b;    //p是指针

(3). 引用一旦引用一个实体,再不能引用其他实体

4.取别名原则:

对原引用变量,权限只能缩小,即 可读可写(普通类型) 可以改成 只读(const);不能放大:,即 只读 不能改成 可读可写的

例子1:权限的放大,不能把const给非const

 例子2:权限的缩小  非const 既可以给非const,也可以给const:

 例子3: 权限缩小和放大规则:适用于引用和指针间

 

例子4: 权限不适用于普通赋值:

 

 难点:隐式类型转换的引用

整形e能否做双精度浮点型d的别名呢?

 直接赋值是不行的,需要加上const才正确。即:const int& e = d; 正确

 

解释:隐式类型转换的普通赋值的情况,上面的例子:int f=d;从语法上看把8字节的d不能直接给4字节的f,因为浮点数和整形的存储形式就不一样,没办法直接截取,所以d需要先把整数部分给一个4字节的临时变量,再把临时变量给f

  再看引用:int& e=d; 临时变量具有常性,所以这里把临时变量给引用e的时候,相当于是把自带const的临时变量赋值给非const的e,把只读的给可读可写的是放大了权限,所以错误;必须改成const int& e=d; 才正确!

5.引用的使用场景:

【1】做参数:

(1)传参:实参给形参传值和传地址都需要传一份值/地址的拷贝,引用传参可以减少拷贝,提高效率
void Swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

void Swap(double& x, double& y)
{
	double tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

int main()
{
	int a = 0, b = 1;
	swap(a, b);

	double c = 1.1, d = 2.2;
	swap(c, d);

	return 0;
}

(2)作输出型参数:

leetcode上的题往往有输出型参数,在c++中就可以用引用代替更加方便

【2】做返回值

(1)int& Count()  的讲解


传值返回:会有一个拷贝
传引用返回:没有这个拷贝了,函数返回的直接就是返回变量的别名

int& Count()
{
	int n = 0;
	n++;
	return n;
}

int main()
{
	int ret = Count();
	return 0;
}

——————————————————————————————————手动分割

首先我们来看普通的传值返回:普通的传值返回需要把返回值n给一个函数类型int的临时变量(函数类型就是返回值类型),再把临时变量给ret。

 为什么设计一个临时变量,直接把n给ret不行吗?

答:不行,因为当函数Count里执行完各种代码后,返回n,等出了Count函数的作用域后n就会销毁,所以不能直接把n给ret,需要一个临时变量。

如何证明返回时存在临时变量呢?:如果你用int& ret 接收,写成int& ret = Count(); 发现无法运行,因为临时变量有常性,所以需要写成const int& ret = Count();  才能通过。

——————————————————————————————————手动分割

此时再看传引用返回:

 当用引用接收引用返回时:这里ret和n的地址一样,也就意味着ret其实就是n的别名。但是因为n出作用域不会立即被覆盖,所以第一次通过ret可以打印是1,当打印第二次时,因为前面已经调用过一次打印函数,已 "销毁" 的Count函数栈帧在此时被打印函数覆盖,再打印ret就会是随机数了!

即:如果函数返回时,出了函数作用域,如果返回对象还未还给系统,则可以使用引用返回,如果已 经还给系统了,则必须使用传值返回。

用static修饰n后:用static静态变量使n只初始化一次且改变其生命周期,把n放进了静态区,这样n就一直存在,就可以通过ret找到n了,再怎么打印ret都是1.

(2)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。
总结:传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大

6.引用和指针的不同点:

1. 引用 在定义时 必须初始化 ,指针没有要求
2. 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
3. 没有 NULL 引用 ,但有 NULL 指针
4. 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 )
5. 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
6. 有多级指针,但是没有多级引用
7. 访问实体方式不同, 指针需要显式解引用,引用编译器自己处理
8. 引用比指针使用起来相对更安全

引用和指针在语法上是不一样的,但是实际上从反汇编的代码上我们能看到引用和指针的底层实现是一样的!

这就好比保时捷的卡宴和大众的途锐汽车,他们的三大件底盘,发动机,变速箱都是一样的,但是他们的品牌不一样,价格不同

二.内联函数

1.概念:

inline 修饰 的函数叫做内联函数, 编译时 C++ 编译器会在 调用内联函数的地方展开 ,没有函数压栈的开销, 内联函数提升程序运行的效率。

 2.写法和作用:

在函数定义前加个 " inline ",就会在调用此函数的时候展开这个函数,通过汇编指令我们能清晰看到原本调用此函数的地方应是call Add,加上inline后他就会直接把Add函数的指令放到ret = Add(1, 2); 的位置了,即:如果在函数前增加inline关键字将其改成内联函数,在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。

3.如何通过汇编查看内联后的结果?

查看方式:
1. release 模式下,查看编译器生成的汇编代码中是否存在 call Add
2. debug 模式下,需要对编译器进行设置,否则不会展开 ( 因为 debug 模式下,编译器默认不会对代码进
行优化,以下给出 vs2013 的设置方式 )

  

4.为什么要有内联函数:

代码少的函数频繁被调用,每次调用建立栈帧,汇编看建立栈帧里面一堆操作很浪费时间,所以干脆在调用的地方展开,虽然指令多了但是效率高了,空间换时间的做法,在c语言中是通过宏函数的方式展开的,比如#define ADD(x, y) ((x)+(y)) ( 当Add(1 & 2 , 3 | 4); 时有优先级问题,+比&和|优先级高,所以x和y也要加括号),但是大佬们发现宏函数易写错难懂,所以在c++中创造了更易懂的展开做法:内联函数——总结一句:频繁调用小函数,建议定义成inline

顺便再讨论一下宏,宏的缺点就是内联函数的优点

(1)宏

优点:
1. 增强代码的复用性。
2. 提高性能。
缺点:
1.不支持调试 。(因为预编译阶段进行了替换)
2.宏函数语法复杂,容易出错
3.没有类型安全的检查

5.特性

1. inline 是一种 以空间换时间 的做法,省去调用函数额开销。所以代码很长(一般函数的代码是10行左右就很长了,具体取决于编译器)或者有 循环 / 递归 的函数不适宜 使用作为内联函数。
2. inline 对于编译器而言只是一个建议 ,编译器会自动优化,如果定义为 inline 的函数体内有循环 / 递归等 等,编译器优化时会忽略掉内联。
3. inline 不建议声明和定义分离,分离会导致链接错误。因为 inline被展开,就没有函数地址了,链接就会找不到。 因为inline被展开,符号表里就没有函数地址了,链接就会找不到。
错误示例:声明定义分离
// F.h

#include <iostream>
using namespace std;
inline void f(int i);

// F.cpp

#include "F.h"
void f(int i)
{
     cout << i << endl; 
}

// main.cpp

#include "F.h"
int main()
{
     f(10);
     return 0; 
}

F.h 在F.cpp中被展开,因为声明是inline,符号表不会生成函数地址,当main.cpp 中调用函数f时,call(函数名) 这个指令去符号表找函数名和地址映射关系时,找不到函数地址,则无法展开。

正确应该这么写:

最佳写法:(1)

F.h 在main.cpp中被展开,因为是内联,所以会在调用处展开,此时call指令也能找到函数地址。

// F.cpp

#include "F.h"
inline void f(int i)
{
     cout << i << endl; 
}

// main.cpp

#include "F.h"
int main()
{
     f(10);
     return 0; 
}

(2)声明和定义写都写在.h中也可以,但是没必要

// F.cpp

#include "F.h"
inline void f(int i);

void f(int i)
{
     cout << i << endl; 
}

// main.cpp

#include "F.h"
int main()
{
     f(10);
     return 0; 
}

6.内联函替换后指令变多真的提高效率了吗?——确实提高了

举例:比如把3行的swap函数调用1000次,如果用内联展开就是3000行指令,如果不展开就是1000+3=1003 行指令(1000次调用就要1000次call指令,还有3行swap函数的指令),那把小函数内联展开指令多了很多,真的比建立栈帧快吗?

答:不是说不展开指令就变少了,每次call过去,swap函数里面的3行指令还是会执行的,所以实际上一共是执行了 1000次call指令+1000*3次调用swap指令=4000次指令,所以说还是inline的3000行效率更快。

7.为什么 频繁调用小函数,建议定义成inline ?

代码很长的时候不适宜用内联函数,比如10行swap函数调用1000次,内联后指令会执行10*1000=1w次,不内联就是1000次call指令+1000*10次调用swap指令=11000次指令,虽然少走1000次,但是多消耗了很多展开的空间 不值得,所以不建议长函数用内联

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