一步步从底层入手搞定C++引用与内联函数
作者：暴躁小程序猿
一、引用
首先我们来看一下引用的概念：
1.1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。
类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；
1.1.1代码展示
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
int i = 0;
int& k = i; // 这里的k就是变量i的引用，可以理解为k是i的一个别名
//这里的k和i可以理解为同一个空间
int j = i;//这里的j是一个全新的变量，是将变量i的值赋给了j
cout << &i << endl;
cout << &k << endl;
cout << &j << endl;
++k;
++j;
int& m = i;
int& n = k;
++n;
return 0;
}
1.1.2图示
我们可以结合上图分析代码，k是i的引用，可以理解为k是i的别名，就比如宋江和宋公明，名字看起来不一样但是是同一个人，这里的k和i是同一个空间，k和i任何一个的变化都会影响另外一个变量的变化。
我们再来看一下三个变量的地址：
我们发现三个变量中i，k两个变量的地址完全相同，所以说明k没有实际开辟空间，只是i变量的一个别名而已。
我们在C语言中有一种特殊情况：二级指针，因为我们都直到形参的改变不会影响到实参，如果我们想在形参变化的时候让实参也变化就得地址传递，操作同一块空间，我们C++就可以利用引用来解决这一问题，我们直接让形式参数是实参的别名就好。
注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的
1.2引用的特性
- 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，再不能引用其他实体
void TestRef()
{
int a = 10;
// int& ra; // 该条语句编译时会出错，因为没有初始化
int& ra = a;
int& rra = a;
printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);
}
1.3常引用
void TestConstRef()
{
const int a = 10;
//int& ra = a; // 该语句编译时会出错，a为常量
const int& ra = a;
// int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
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;
}
1.4引用的使用场景
1.做参数
void Swap(int& left, int& right)
{
int temp = left;
left = right;
right = temp;
}
做参数就是为了解决形参的改变不影响实参这个问题，我们在C语言中想要做到输出型参数，就得利用指针来实现，但是在C++中我们就可以用引用做参数，我们的形参就是实参的别名，这里一旦形参发生了改变实参也会发生相应的改变，也就是说这里是输出型参数。
2.做返回值
int& Count()
{
static int n = 0;
n++;
// ...
return n;
}
我们先来看一下普通函数的调用：
但是我们再来分析一下下面的代码：
如果还给了操作系统还使用传引用返回，那么结果就是未定义的
1.5 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。
我们可以测试一下他们的效率：
1.值和引用的作为函数参数的性能比较：
#include <time.h>
struct A{ int a[10000]; };
void TestFunc1(A a){}
void TestFunc2(A& a){}
void TestRefAndValue()
{
A a;
// 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();
// 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(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}
2. 值和引用的作为返回值类型的性能比较
#include <time.h>
struct A{ int a[10000]; };
A a;
// 值返回
A TestFunc1() { return a;}
// 引用返回
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;
}
通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。
1.6 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;
}
我们来看下引用和指针的汇编代码对比：
引用和指针的不同点:
- 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
- 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，引用编译器自己处理
- 引用比指针使用起来相对更安全
二、内联函数
2.1.内联函数的概念
以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，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。
注意：C++推荐用const和enum替代宏常量用inline去替代宏函数
在c语言中宏是在预处理阶段直接替换的，所以对于宏函数来说，是替换而不是调用，所以优点就是可以节省时间，因为不用调用函数建立栈帧。
我们来看一下什么是宏函数：
#define ADD(x, y) ((x)+(y)) //这个就是宏函数
我们来解释一下为什么它的形式是((x)+(y))
int main()
{
ADD(1, 2) * 3; // ((1)+(2))*3;
//上面就是解释了为什么外面有一对括号
int a = 1, b = 2;
ADD(a | b, a & b); // ((a | b) + (a & b));;
//这里就解释了为什么x和y要单独括起来
return 0;
}
我们来看一下普通函数的调用在汇编代码下的情况：
如果在上述函数前增加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。
查看方式：
- 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
- 在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vs2019的设置方式)
2.2内联函数的特性
- inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，缺陷：可能会使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
- inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。
《C++prime》第五版关于inline的建议：
内联函数只是向编译器发送的一个请求，编译器可以忽略这个请求
一般来说，内联机制用于优化规模较小，流程直接，频繁调用的函数，很多编译器都不支持内联递归函数，而且一个75行的函数也不太可能在调用点内联的展开。 - 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
// 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;
}
// 链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 "void __cdecl
f(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用
总结
我们这篇博客主要涉及C++语言中的引用和内联函数，深入分析引用和内联函数中的很多细节问题，同时从底层汇编入手来分析引用和内联函数的底层原理~
到此这篇关于从底层入手搞定C++引用与内联函数的文章就介绍到这了,更多相关C++引用与内联函数内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！