C++引用的概念與基本使用

我們知道，參數的傳遞本質上是一次賦值的過程，賦值就是對內存進行拷貝。所謂內存拷貝，是指將一塊內存上的數據復制到另一塊內存上。

對於像 char、bool、int、float 等基本類型的數據，它們占用的內存往往只有幾個字節，對它們進行內存拷貝非常快速。而數組、結構體、對象是一系列數據的集合，數據的數量沒有限制，可能很少，也可能成千上萬，對它們進行頻繁的內存拷貝可能會消耗很多時間，拖慢程序的執行效率。

C/C++ 禁止在函數調用時直接傳遞數組的內容，而是強制傳遞數組指針，這點已在《C語言指針變量作為函數參數》中進行了講解。而對於結構體和對象沒有這種限制，調用函數時既可以傳遞指針，也可以直接傳遞內容；為了提高效率，我曾建議傳遞指針，這樣做在大部分情況下並沒有什麼不妥，讀者可以點擊《C語言結構體和指針》進行回顧。

但是在 C++ 中，我們有了一種比指針更加便捷的傳遞聚合類型數據的方式，那就是引用（Reference）。

在 C/C++ 中，我們將 char、int、float 等由語言本身支持的類型稱為基本類型，將數組、結構體、類（對象）等由基本類型組合而成的類型稱為聚合類型（在講解結構體時也曾使用復雜類型、構造類型這兩種說法）。

引用（Reference）是 C++ 相對於C語言的又一個擴充。引用可以看做是數據的一個別名，通過這個別名和原來的名字都能夠找到這份數據。引用類似於 Windows 中的快捷方式，一個可執行程序可以有多個快捷方式，通過這些快捷方式和可執行程序本身都能夠運行程序；引用還類似於人的綽號（筆名），使用綽號（筆名）和本名都能表示一個人。

引用的定義方式類似於指針，只是用&取代了*，語法格式為：

type &name = data;

type 是被引用的數據的類型，name 是引用的名稱，data 是被引用的數據。引用必須在定義的同時初始化，並且以後也要從一而終，不能再引用其它數據，這有點類似於常量（const 變量）。

下面是一個演示引用的實例：

#include <iostream>
using namespace std;

int main(){
    int a = 99;
    int &b = a;
    cout<<a<<", "<<b<<endl;
    cout<<&a<<", "<<&b<<endl;

    return 0;
}

運行結果：
99, 99
0x28ff44, 0x28ff44

本例中，變量 b 就是變量 a 的引用，它們用來指代同一份數據；也可以說變量 b 是變量 a 的另一個名字。從輸出結果可以看出，a 和 b 的地址一樣，都是0x28ff44；或者說地址為0x28ff44的內存有兩個名字，a 和 b，想要訪問該內存上的數據時，使用哪個名字都行。

注意，引用在定義時需要添加&，在使用時不能添加&，使用時添加&表示取地址。如上面代碼所示，第 6 行中的&表示引用，第 8 行中的&表示取地址。除了這兩種用法，&還可以表示位運算中的與運算。

由於引用 b 和原始變量 a 都是指向同一地址，所以通過引用也可以修改原始變量中所存儲的數據，請看下面的例子：

#include <iostream>
using namespace std;

int main(){
    int a = 99;
    int &b = a;
    b = 47;
    cout<<a<<", "<<b<<endl;

    return 0;
}

運行結果：
47, 47

最終程序輸出兩個 47，可見原始變量 a 的值已經被引用變量 b 所修改。

如果讀者不希望通過引用來修改原始的數據，那麼可以在定義時添加 const 限制，形式為：

const type &name = value;

也可以是：

type const &name = value;

這種引用方式為常引用

引用作為函數參數

在定義或聲明函數時，我們可以將函數的形參指定為引用的形式，這樣在調用函數時就會將實參和形參綁定在一起，讓它們都指代同一份數據。如此一來，如果在函數體中修改了形參的數據，那麼實參的數據也會被修改，從而擁有“在函數內部影響函數外部數據”的效果。

至於實參和形參是如何綁定的，我們將在下節《引用在本質上是什麼，它和指針到底有什麼區別》中講解，屆時我們會一針見血地闡明引用的本質。

一個能夠展現按引用傳參的優勢的例子就是交換兩個數的值，請看下面的代碼：

#include <iostream>
using namespace std;

void swap1(int a, int b);
void swap2(int *p1, int *p2);
void swap3(int &a, int &b);


int main(){
    int num1, num2;
    cout<<"Input two integers: ";
    cin>>num1>>num2;
    swap1(num1, num2);
    cout<<num1<<" "<<num2<<endl;
   
    cout<<"Input two integers: ";
    cin>>num1>>num2;
    swap2(&num1, &num2);
    cout<<num1<<" "<<num2<<endl;
   
    cout<<"Input two integers: ";
    cin>>num1>>num2;
    swap3(num1, num2);
    cout<<num1<<" "<<num2<<endl;

    return 0;
}

//直接傳遞參數內容
void swap1(int a, int b){
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

//傳遞指針
void swap2(int *p1, int *p2){
    int temp = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = temp;
}

//按引用傳參
void swap3(int &a, int &b){
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
} 

運行結果：
Input two integers: 12 34
12 34
Input two integers: 88 99
99 88
Input two integers: 100 200
200 100

本例演示了三種交換變量的值的方法：
1) swap1() 直接傳遞參數的內容，不能達到交換兩個數的值的目的。對於 swap1() 來說，a、b 是形參，是作用范圍僅限於函數內部的局部變量，它們有自己獨立的內存，和 num1、num2 指代的數據不一樣。調用函數時分別將 num1、num2 的值傳遞給 a、b，此後 num1、num2 和 a、b 再無任何關系，在 swap1() 內部修改 a、b 的值不會影響函數外部的 num1、num2，更不會改變 num1、num2 的值。

2) swap2() 傳遞的是指針，能夠達到交換兩個數的值的目的。調用函數時，分別將 num1、num2 的指針傳遞給 p1、p2，此後 p1、p2 指向 a、b 所代表的數據，在函數內部可以通過指針間接地修改 a、b 的值。我們在《C語言指針變量作為函數參數》中也對比過第 1)、2) 中方式的區別。

2) swap3() 是按引用傳遞，能夠達到交換兩個數的值的目的。調用函數時，分別將 a、b 綁定到 num1、num2 所指代的數據，此後 a 和 num1、b 和 num2 就都代表同一份數據了，通過 a 修改數據後會影響 num1，通過 b 修改數據後也會影響 num2。

從以上代碼的編寫中可以發現，按引用傳參在使用形式上比指針更加直觀。在以後的 C++ 編程中，我鼓勵讀者大量使用引用，它一般可以代替指針（當然指針在C++中也不可或缺），C++ 標准庫也是這樣做的。

引用作為函數返回值

引用除了可以作為函數形參，還可以作為函數返回值，請看下面的例子：

#include <iostream>
using namespace std;

int &plus10(int &n){
    n = n + 10;
    return n;
}

int main(){
    int num1 = 10;
    int num2 = plus10(num1);
    cout<<num1<<" "<<num2<<endl;

    return 0;
}

運行結果：
20 20

在將引用作為函數返回值時應該注意一個小問題，就是不能返回局部數據（例如局部變量、局部對象、局部數組等）的引用，因為當函數調用完成後局部數據就會被銷毀，有可能在下次使用時數據就不存在了，C++ 編譯器檢測到該行為時也會給出警告。

更改上面的例子，讓 plus10() 返回一個局部數據的引用：

#include <iostream>
using namespace std;

int &plus10(int &n){
    int m = n + 10;
    return m;  //返回局部數據的引用
}

int main(){
    int num1 = 10;
    int num2 = plus10(num1);
    cout<<num2<<endl;
    int &num3 = plus10(num1);
    int &num4 = plus10(num3);
    cout<<num3<<" "<<num4<<endl;

    return 0;
}

在 Visual Studio 下的運行結果：

20
-858993450 -858993450

在 GCC 下的運行結果：

20
30 30

在 C-Free 下的運行結果：

20
30 0

而我們期望的運行結果是：

20
20 30

plus10() 返回一個對局部變量 m 的引用，這是導致運行結果非常怪異的根源，因為函數是在棧上運行的，並且運行結束後會放棄對所有局部數據的管理權，後面的函數調用會覆蓋前面函數的局部數據。本例中，第二次調用 plus10() 會覆蓋第一次調用 plus10() 所產生的局部數據，第三次調用 plus10() 會覆蓋第二次調用 plus10() 所產生的局部數據。

關於函數調用的內部實現，我們已在《C語言和內存》專題中講到。