李虎軍
蚌埠坦克學院計算機室
摘要:介紹
C++引用的基本概念,通過詳細的應用分析與說明,對引用進行全面,透徹地闡述.
關鍵詞:引用,const,多態,指針
引用是C++引入的新語言特性,是C++常用的一個重要內容之一,正確,靈活地使用引用,可以使程序簡潔,高效.我在工作中發現,許多人使用它僅僅是想當然,在某些微妙的場合,很容易出錯,究其原由,大多因為沒有搞清本源.故在本篇中我將對引用進行詳細討論,希望對大家更好地理解和使用引用起到拋磚引玉的作用.
引用簡介
引用就是某一變量(目標)的一個別名,對引用的操作與對變量直接操作完全一樣.
引用的聲明方法:類型標識符 &引用名=目標變量名;
【例1】:int a; int &ra=a; //定義引用ra,它是變量a的引用,即別名
說明:(1)&在此不是求地址運算,而是起標識作用.
(2)類型標識符是指目標變量的類型.
(3)聲明引用時,必須同時對其進行初始化.
(4)引用聲明完畢后,相當于目標變量名有兩個名稱,即該目標原名稱和引用名,且不能再把該引用名作為其他變量名的別名.
ra=1; 等價于 a=1;
(5)聲明一個引用,不是新定義了一個變量,它只表示該引用名是目標變量名的一個別名,它本身不是一種數據類型,因此引用本身不占存儲單元,系統也不給引用分配存儲單元.故:對引用求地址,就是對目標變量求地址.&ra與&a相等.
(6)不能建立數組的引用.因為數組是一個由若干個元素所組成的集合,所以無法建立一個數組的別名.
2 引用應用
2.1 引用作為參數
引用的一個重要作用就是作為函數的參數.以前的C語言中函數參數傳遞是值傳遞,如果有大塊數據作為參數傳遞的時候,采用的方案往往是指針,因為這樣可以避免將整塊數據全部壓棧,可以提高程序的效率.但是現在(C++中)又增加了一種同樣有效率的選擇(在某些特殊情況下又是必須的選擇),就是引用.
【例2】:
void?swap(int?&p1,?int?&p2)?//此處函數的形參p1,?p2都是引用
{?int?p;
p=p1;
p1=p2;
p2=p;
}為在程序中調用該函數,則相應的主調函數的調用點處,直接以變量作為實參進行調用即可,而不需要實參變量有任何的特殊要求.如:對應上面定義的swap函數,相應的主調函數可寫為:
main(?)
{?int?a,b;
cin>>a>>b;?//輸入a,b兩變量的值
swap(a,b);?//直接以變量a和b作為實參調用swap函數?
cout<<<???<<b;?輸出結果?
}
上述程序運行時,如果輸入數據10 20并回車后,則輸出結果為20 10.
由【例2】可看出:
(1)傳遞引用給函數與傳遞指針的效果是一樣的.這時,被調函數的形參就成為原來主調函數中的實參變量或對象的一個別名來使用,所以在被調函數中對形參變量的操作就是對其相應的目標對象(在主調函數中)的操作.
(2)使用引用傳遞函數的參數,在內存中并沒有產生實參的副本,它是直接對實參操作;而使用一般變量傳遞函數的參數,當發生函數調用時,需要給形參分配存儲單元,形參變量是實參變量的副本;如果傳遞的是對象,還將調用拷貝構造函數.因此,當參數傳遞的數據較大時,用引用比用一般變量傳遞參數的效率和所占空間都好.
(3)使用指針作為函數的參數雖然也能達到與使用引用的效果,但是,在被調函數中同樣要給形參分配存儲單元,且需要重復使用"*指針變量名"的形式進行運算,這很容易產生錯誤且程序的閱讀性較差;另一方面,在主調函數的調用點處,必須用變量的地址作為實參.而引用更容易使用,更清晰.
如果既要利用引用提高程序的效率,又要保護傳遞給函數的數據不在函數中被改變,就應使用常引用.
2.2常引用
常引用聲明方式:const 類型標識符 &引用名=目標變量名;
用這種方式聲明的引用,不能通過引用對目標變量的值進行修改,從而使引用的目標成為const,達到了引用的安全性.
【例3】:
int a ;
const int &ra=a;
ra=1; //錯誤
a=1; //正確
這不光是讓代碼更健壯,也有些其它方面的需要.
【例4】:假設有如下函數聲明:
string foo( );
void bar(string & s);
那么下面的表達式將是非法的:
bar(foo( ));
bar("hello world");
原因在于foo( )和"hello world"串都會產生一個臨時對象,而在C++中,這些臨時對象都是const類型的.因此上面的表達式就是試圖將一個const類型的對象轉換為非const類型,這是非法的.
引用型參數應該在能被定義為const的情況下,盡量定義為const .
2.3 引用作為返回值
要以引用返回函數值,則函數定義時要按以下格式:
類型標識符 &函數名(形參列表及類型說明)
{函數體}
說明: (1)以引用返回函數值,定義函數時需要在函數名前加&
(2)用引用返回一個函數值的最大好處是,在內存中不產生被返回值的副本.
【例5】以下程序中定義了一個普通的函數fn1(它用返回值的方法返回函數值),另外一個函數fn2,它以引用的方法返回函數值.
#include?
float?temp;?//定義全局變量temp
float?fn1(float?r);?//聲明函數fn1
float?&fn2(float?r);?//聲明函數fn2
float?fn1(float?r)?//定義函數fn1,它以返回值的方法返回函數值
{?temp=(float)(r*r*3.14);
return?temp;?
}
float?&fn2(float?r)?//定義函數fn2,它以引用方式返回函數值
{?temp=(float)(r*r*3.14);
return?temp;
}
void?main()?//主函數
{?float?a=fn1(10.0);?//第1種情況,系統生成要返回值的副本(即臨時變量)
float?&b=fn1(10.0);?//第2種情況,可能會出錯(不同?C++系統有不同規定)
//不能從被調函數中返回一個臨時變量或局部變量的引用
float?c=fn2(10.0);?//第3種情況,系統不生成返回值的副本
//可以從被調函數中返回一個全局變量的引用
float?&d=fn2(10.0);?//第4種情況,系統不生成返回值的副本
//可以從被調函數中返回一個全局變量的引用
cout<}
引用作為返回值,必須遵守以下規則:
(1)不能返回局部變量的引用.這條可以參照Effective C++[1]的Item 31.主要原因是局部變量會在函數返回后被銷毀,因此被返回的引用就成為了"無所指"的引用,程序會進入未知狀態.
(2)不能返回函數內部new分配的內存的引用.這條可以參照Effective C++[1]的Item 31.雖然不存在局部變量的被動銷毀問題,可對于這種情況(返回函數內部new分配內存的引用),又面臨其它尷尬局面.例如,被函數返回的引用只是作為一個臨時變量出現,而沒有被賦予一個實際的變量,那么這個引用所指向的空間(由new分配)就無法釋放,造成memory leak.
(3)可以返回類成員的引用,但最好是const.這條原則可以參照Effective C++[1]的Item 30.主要原因是當對象的屬性是與某種業務規則(business rule)相關聯的時候,其賦值常常與某些其它屬性或者對象的狀態有關,因此有必要將賦值操作封裝在一個業務規則當中.如果其它對象可以獲得該屬性的非常量引用(或指針),那么對該屬性的單純賦值就會破壞業務規則的完整性.
(4)引用與一些操作符的重載:
流操作符<>,這兩個操作符常常希望被連續使用,例如:cout << "hello" << endl; 因此這兩個操作符的返回值應該是一個仍然支持這兩個操作符的流引用.可選的其它方案包括:返回一個流對象和返回一個流對象指針.但是對于返回一個流對象,程序必須重新(拷貝)構造一個新的流對象,也就是說,連續的兩個<<操作符實際上是針對不同對象的!這無法讓人接受.對于返回一個流指針則不能連續使用<<操作符.因此,返回一個流對象引用是惟一選擇.這個唯一選擇很關鍵,它說明了引用的重要性以及無可替代性,也許這就是C++語言中引入引用這個概念的原因吧. 賦值操作符=.這個操作符象流操作符一樣,是可以連續使用的,例如:x = j = 10;或者(x=10)=100;賦值操作符的返回值必須是一個左值,以便可以被繼續賦值.因此引用成了這個操作符的惟一返回值選擇.
【例6】 測試用返回引用的函數值作為賦值表達式的左值.
#include?
int?&put(int?n);
int?vals[10];
int?error=-1;
void?main()
{?put(0)=10;?//以put(0)函數值作為左值,等價于vals[0]=10;
put(9)=20;?//以put(9)函數值作為左值,等價于vals[9]=10;
cout<
cout<=0?&&?n<=9?)
return?vals[n];
else?{?cout<<"subscript?error";?
return?error;?}
}
(5)在另外的一些操作符中,卻千萬不能返回引用:+-*/ 四則運算符.它們不能返回引用,Effective C++[1]的Item23詳細的討論了這個問題.主要原因是這四個操作符沒有side effect,因此,它們必須構造一個對象作為返回值,可選的方案包括:返回一個對象,返回一個局部變量的引用,返回一個new分配的對象的引用,返回一個靜態對象引用.根據前面提到的引用作為返回值的三個規則,第2,3兩個方案都被否決了.靜態對象的引用又因為((a+b) == (c+d))會永遠為true而導致錯誤.所以可選的只剩下返回一個對象了.
2.4 引用和多態
引用是除指針外另一個可以產生多態效果的手段.這意味著,一個基類的引用可以指向它的派生類實例.
【例7】:
class A;
class B:public A{……};
B b;
A &Ref = b; // 用派生類對象初始化基類對象的引用
Ref 只能用來訪問派生類對象中從基類繼承下來的成員,是基類引用指向派生類.如果A類中定義有虛函數,并且在B類中重寫了這個虛函數,就可以通過Ref產生多態效果.
引用總結
(1)在引用的使用中,單純給某個變量取個別名是毫無意義的,引用的目的主要用于在函數參數傳遞中,解決大塊數據或對象的傳遞效率和空間不如意的問題.
(2)用引用傳遞函數的參數,能保證參數傳遞中不產生副本,提高傳遞的效率,且通過const的使用,保證了引用傳遞的安全性.
(3)引用與指針的區別是,指針通過某個指針變量指向一個對象后,對它所指向的變量間接操作.程序中使用指針,程序的可讀性差;而引用本身就是目標變量的別名,對引用的操作就是對目標變量的操作.
(4)使用引用的時機.流操作符<>,賦值操作符=的返回值,拷貝構造函數的參數,賦值操作符=的參數,其它情況都推薦使用引用.
參考文獻:
鄭莉著 C++程序設計教程 北京 機械工業出版社 2001年7月
黃維通 Visual C++面向對象與可視化程序設計 北京 清華大學出版社 2001年9月