06-引用的属性和特别之处

8.2.3　引用的属性和特别之处

使用引用参数时，需要了解其一些特点。请看程序清单8.5。它使用两个函数来计算参数的立方，其中一个函数接受double类型的参数，另一个接受double引用。为了说明这一点，我们有意将计算立方的代码编写得比较奇怪。

程序清单8.5　cubes.cpp

// cubes.cpp -- regular and reference arguments
#include <iostream>
double cube(double a);
double refcube(double &ra);
int main ()
{
    using namespace std;
    double x = 3.0;
    cout << cube(x);
    cout << " = cube of " << x << endl;
    cout << refcube(x);
    cout << " = cube of " << x << endl;
    return 0;
}
double cube(double a)
{
    a *= a * a;
    return a;
}
double refcube(double &ra)
{
    ra *= ra * ra;
    return ra;
}

下面是该程序的输出：

27 = cube of 3
27 = cube of 27

refcube()函数修改了main()中的x值，而cube()没有，这提醒我们为何通常按值传递。变量a位于cube()中，它被初始化为x的值，但修改a并不会影响x。但由于refcube()使用了引用参数，因此修改ra实际上就是修改x。如果程序员的意图是让函数使用传递给它的信息，而不对这些信息进行修改，同时又想使用引用，则应使用常量引用。例如，在这个例子中，应在函数原型和函数头中使用const：

double refcube(const double &ra);

如果这样做，当编译器发现代码修改了ra的值时，将生成错误消息。

顺便说一句，如果要编写类似于上述示例的函数（即使用基本数值类型），应采用按值传递的方式，而不要采用按引用传递的方式。当数据比较大（如结构和类）时，引用参数将很有用，您稍后便会明白这一点。

按值传递的函数，如程序清单8.5中的函数cube()，可使用多种类型的实参。例如，下面的调用都是合法的：

double z = cube(x + 2.0);  // evaluate x + 2.0, pass value
z = cube(8.0);             // pass the value 8.0
int k = 10;
z = cube(k);               // convert value of k to double, pass value
double yo[3] = { 2.2, 3.3, 4.4};
z = cube (yo[2]);          // pass the value 4.4

如果将与上面类似的参数传递给接受引用参数的函数，将会发现，传递引用的限制更严格。毕竟，如果ra是一个变量的别名，则实参应是该变量。下面的代码不合理，因为表达式x + 3.0并不是变量：

double z = refcube(x + 3.0); // should not compile

例如，不能将值赋给该表达式：

x + 3.0 = 5.0; // nonsensical

如果试图使用像refcube(x + 3.0)这样的函数调用，将发生什么情况呢？在现代的C++中，这是错误的，大多数编译器都将指出这一点；而有些较老的编译器将发出这样的警告：

Warning: Temporary used for parameter 'ra' in call to refcube(double &)

之所以做出这种比较温和的反应是由于早期的C++确实允许将表达式传递给引用变量。有些情况下，仍然是这样做的。这样做的结果如下：由于x + 3.0不是double类型的变量，因此程序将创建一个临时的无名变量，并将其初始化为表达式x + 3.0的值。然后，ra将成为该临时变量的引用。下面详细讨论这种临时变量，看看什么时候创建它们，什么时候不创建。

临时变量、引用参数和const

如果实参与引用参数不匹配，C++将生成临时变量。当前，仅当参数为const引用时，C++才允许这样做，但以前不是这样。下面来看看何种情况下，C++将生成临时变量，以及为何对const引用的限制是合理的。

首先，什么时候将创建临时变量呢？如果引用参数是const，则编译器将在下面两种情况下生成临时变量：

• 实参的类型正确，但不是左值；
• 实参的类型不正确，但可以转换为正确的类型。

左值是什么呢？左值参数是可被引用的数据对象，例如，变量、数组元素、结构成员、引用和解除引用的指针都是左值。非左值包括字面常量（用引号括起的字符串除外，它们由其地址表示）和包含多项的表达式。在C语言中，左值最初指的是可出现在赋值语句左边的实体，但这是引入关键字const之前的情况。现在，常规变量和const变量都可视为左值，因为可通过地址访问它们。但常规变量属于可修改的左值，而const变量属于不可修改的左值。

回到前面的示例。假设重新定义了refcube()，使其接受一个常量引用参数：

double refcube(const double &ra)
{
    return ra * ra * ra;
}

现在考虑下面的代码：

double side = 3.0;
double * pd = &side;
double & rd = side;
long edge = 5L;
double lens[4] = { 2.0, 5.0, 10.0, 12.0};
double c1 = refcube(side);        // ra is side
double c2 = refcube(lens[2]);     // ra is lens[2]
double c3 = refcube(rd);          // ra is rd is side
double c4 = refcube(*pd);         // ra is *pd is side
double c5 = refcube(edge);        // ra is temporary variable
double c6 = refcube(7.0);         // ra is temporary variable
double c7 = refcube(side + 10.0); // ra is temporary variable

参数side、lens[2]、rd和*pd都是有名称的、double类型的数据对象，因此可以为其创建引用，而不需要临时变量（还记得吗，数组元素的行为与同类型的变量类似）。然而，edge虽然是变量，类型却不正确，double引用不能指向long。另一方面，参数7.0和side + 10.0的类型都正确，但没有名称，在这些情况下，编译器都将生成一个临时匿名变量，并让ra指向它。这些临时变量只在函数调用期间存在，此后编译器便可以随意将其删除。

那么为什么对于常量引用，这种行为是可行的，其他情况下却不行的呢？对于程序清单8.4中的函数swapr()：

void swapr(int & a, int & b) // use references
{
    int temp;
    temp = a; // use a, b for values of variables
    a = b;
    b = temp;
}

如果在早期C++较宽松的规则下，执行下面的操作将发生什么情况呢？

long a = 3, b = 5;
swapr(a, b);

这里的类型不匹配，因此编译器将创建两个临时int变量，将它们初始化为3和5，然后交换临时变量的内容，而a和b保持不变。

简而言之，如果接受引用参数的函数的意图是修改作为参数传递的变量，则创建临时变量将阻止这种意图的实现。解决方法是，禁止创建临时变量，现在的C++标准正是这样做的（然而，在默认情况下，有些编译器仍将发出警告，而不是错误消息，因此如果看到了有关临时变量的警告，请不要忽略）。

现在来看refcube()函数。该函数的目的只是使用传递的值，而不是修改它们，因此临时变量不会造成任何不利的影响，反而会使函数在可处理的参数种类方面更通用。因此，如果声明将引用指定为const，C++将在必要时生成临时变量。实际上，对于形参为const引用的C++函数，如果实参不匹配，则其行为类似于按值传递，为确保原始数据不被修改，将使用临时变量来存储值。

注意： 如果函数调用的参数不是左值或与相应的const引用参数的类型不匹配，则C++将创建类型正确的匿名变量，将函数调用的参数的值传递给该匿名变量，并让参数来引用该变量。

应尽可能使用const

将引用参数声明为常量数据的引用的理由有三个：

• 使用const可以避免无意中修改数据的编程错误；
• 使用const使函数能够处理const和非const实参，否则将只能接受非const数据；
• 使用const引用使函数能够正确生成并使用临时变量。

因此，应尽可能将引用形参声明为const。

C++11新增了另一种引用——右值引用（rvalue reference）。这种引用可指向右值，是使用&&声明的：

double && rref = std::sqrt(36.00);  // not allowed for double &
double j = 15.0;
double && jref = 2.0* j + 18.5;     // not allowed for double &
std::cout << rref << '\n';          // display 6.0
std::cout << jref << '\n';          // display 48.5;

新增右值引用的主要目的是，让库设计人员能够提供有些操作的更有效实现。第18章将讨论如何使用右值引用来实现移动语义（move semantics）。以前的引用（使用&声明的引用）现在称为左值引用。