C++学习随笔（2）——引用与函数

经过上章对C++有了一个初步认识后，本章我们来学习一下C++的一些与C语言不同的新玩样引用，还有C++的函数规则。

1. 引用

1.1 引用概念

1.2 引用特性

1.3 常引用

1.4 使用场景

（1）做参数

（2）做返回值

1.5 常见传值方式的效率对比

1.5.1 传值、传引用效率比较

编辑

1.5.2 值和引用的作为返回值类型的性能比较

1.6 引用和指针的区别

2. 缺省参数

2.1 缺省参数概念

2.2 缺省参数分类

（1）全缺省参数

（2）半缺省参数

3. 函数重载

3.1 函数重载概念

3.2 C++支持函数重载的原理--名字修饰(name Mangling)

4. 内联函数

4.1 概念

4.2 特性

5. 补充：

5.1 宏的优缺点？

5.2 C++有哪些技术替代宏？

1. 引用

1.1 引用概念

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。

语法：

类型& 引用变量名 ( 对象名 ) = 引用实体；

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

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

1.2 引用特性

1. 引用在 定义时必须初始化。

2. 一个变量可以有多个引用

3. 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
   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 使用场景

（1）做参数

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

（2）做返回值

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

下面代码输出什么结果？为什么？

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;
}

注意： 如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在 ( 还没还给系统 ) ，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。

1.5 常见传值方式的效率对比

1.5.1 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。

#include<iostream>
#include <time.h>
using namespace std;
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;
}

int main()
{
    TestRefAndValue();
    return 0;
}

注意：传值调用花费时间为9ms，而传引用调用虽然显示为0，但实际上由于电脑反应时间单位是ms,而传引用调用时间小于1ms，故显示为0。

1.5.2 值和引用的作为返回值类型的性能比较

#include<iostream>
#include <time.h>
using namespace std;
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;
}

int main()
{
    TestReturnByRefOrValue();
    return 0;
}

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 :

        1. 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。



        2. 引用在定义时必须初始化 ，指针没有要求



        3. 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



        4. 没有NULL引用，但有NULL 指针



        5. 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 )



        6. 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



        7. 有多级指针，但是没有多级引用



        8. 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



        9. 引用比指针使用起来相对更安全

2. 缺省参数

2.1 缺省参数概念

缺省参数是 声明或定义函数时 为函数的 参数指定一个缺省值 。在调用该函数时，如果没有指定实

参则采用该形参的缺省值，否则使用指定的实参。

void Func(int a = 0)
{
     cout<<a<<endl;
}
int main()
{
     Func();     // 没有传参时，使用参数的默认值
     Func(10);   // 传参时，使用指定的实参
     return 0;
}

2.2 缺省参数分类

（1）全缺省参数

void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
 {
     cout<<"a = "<<a<<endl;
     cout<<"b = "<<b<<endl;
     cout<<"c = "<<c<<endl;
 }

（2）半缺省参数

void Func(int a, int b = 10, int c = 20)
 {
     cout<<"a = "<<a<<endl;
     cout<<"b = "<<b<<endl;
     cout<<"c = "<<c<<endl;
 }

注意：

1. 半缺省参数必须 从右往左依次 来给出，不能间隔着给

2. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现
  //a.h
  void Func(int a = 10);
  
  // a.cpp
  void Func(int a = 20)
 {}
  
  // 注意：如果生命与定义位置同时出现，恰巧两个位置提供的值不同，那编译器就无法确定到底该
用那个缺省值。
3.如果函数声明和定义分离，缺省参数数必须定义在函数声明里。

4. 缺省值必须是常量或者全局变量

5. C语言不支持（编译器不支持）

3. 函数重载

自然语言中，一个词可以有多重含义，人们可以通过上下文来判断该词真实的含义，即该词被重载了。比如：以前有一个笑话，国有两个体育项目大家根本不用看，也不用担心。一个是乒乓球，一个是男足。前者是“谁也赢不了！” ，后者是 “ 谁也赢不了！ ”

3.1 函数重载概念

函数重载：是函数的一种特殊情况， C++ 允许在 同一作用域中 声明几个功能类似 的同名函数 ，这些同名函数的形参列表 ( 参数个数或类型或类型顺序 ) 不同，常用来处理实现功能类似数据类型

不同的问题。

#include<iostream>
using namespace std;
// 1、参数类型不同
int Add(int left, int right)
{
     cout << "int Add(int left, int right)" << endl;
     return left + right;
}
double Add(double left, double right)
{
     cout << "double Add(double left, double right)" << endl;
     return left + right;
}
// 2、参数个数不同
void f()
{
     cout << "f()" << endl;
}
void f(int a)
{
 cout << "f(int a)" << endl;
}
// 3、参数类型顺序不同
void f(int a, char b)
{
 cout << "f(int a,char b)" << endl;
}
void f(char b, int a)
{
 cout << "f(char b, int a)" << endl;
}
int main()
{
     Add(10, 20);
     Add(10.1, 20.2);
     f();
     f(10);
     f(10, 'a');
     f('a', 10);
     return 0;
}

3.2 C++支持函数重载的原理--名字修饰(name Mangling)

为什么 C++ 支持函数重载，而 C 语言不支持函数重载呢？

在 C/C++ 中，一个程序要运行起来，需要经历以下几个阶段： 预处理、编译、汇编、链接 。

        1. 实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，而通过 C 语言阶段学习的编译链接，我们可以知道，【当前a.cpp 中调用了 b.cpp 中定义的 Add 函数时】，编译后链接前， a.o 的目标文件中没有Add 的函数地址，因为 Add 是在 b.cpp 中定义的，所以 Add 的地址在 b.o 中。那么怎么办呢？

        2. 所以链接阶段就是专门处理这种问题， 链接器看到 a.o 调用 Add ，但是没有 Add 的地址，就

会到 b.o 的符号表中找 Add 的地址，然后链接到一起 。 ( 老师要带同学们回顾一下 )

        3. 那么链接时，面对 Add 函数，链接接器会使用哪个名字去找呢？这里每个编译器都有自己的

函数名修饰规则。

        4. 由于 Windows 下 vs 的修饰规则过于复杂，而 Linux 下 g++ 的修饰规则简单易懂，下面我们使

用了 g++ 演示了这个修饰后的名字。

        5. 通过下面我们可以看出 gcc 的函数修饰后名字不变。而 g++ 的函数修饰后变成【 _Z+ 函数长度 + 函数名 + 类型首字母】。

采用 C 语言编译器编译后结果

结论：在 linux 下，采用 gcc 编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变。

采用 C++ 编译器编译后结果

结论：在 linux 下，采用 g++ 编译完成后，函数名字的修饰发生改变，编译器将函数参

数类型信息添加到修改后的名字中。

Windows 下名字修饰规则

对比 Linux 会发现， windows 下 vs 编译器对函数名字修饰规则相对复杂难懂 ，但道理都

是类似的，我们就不做细致的研究了。

【扩展学习： C/C++ 函数调用约定和名字修饰规则 -- 有兴趣好奇的同学可以看看，里面

有对 vs 下函数名修饰规则讲解】

C/C++的调用约定

6. 通过这里就理解了 C 语言没办法支持重载，因为同名函数没办法区分。而 C++ 是通过函数修

饰规则来区分，只要参数不同，修饰出来的名字就不一样，就支持了重载 。

7. 如果两个函数函数名和参数是一样的，返回值不同是不构成重载的，因为调用时编译器没办

法区分。

4. 内联函数

4.1 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

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：

1. 在 release 模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在 call Add

2. 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vs2013 的设置方式 )

4.2 特性

1. 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。

2. 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。下图为

《 C++prime 》第五版关于 inline 的建议：

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。

// 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

5. 补充：

5.1 宏的优缺点？

（1）优点：

        1.增强代码的复用性。

        2.提高性能。

（2）缺点：

        1.不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）

        2.导致代码可读性差，可维护性差，容易误用。

        3.没有类型安全的检查。

所以综上，祖师爷在设计C++时就将宏从这门语言中去掉了。

5.2 C++有哪些技术替代宏？

        1. 常量定义换用 const enum

        2. 短小函数定义换用内联函数