【C++ 筆記】參考（Reference） - part 14

很感謝你點進來這篇文章。

你好，我並不是什麼 C++、程式語言的專家，所以本文若有些錯誤麻煩請各位鞭大力一點，我極需各位的指正及指導！！本系列文章的性質主要以詼諧的口吻，一派輕鬆的態度自學程式語言，如果你喜歡，麻煩留言說聲文章讚讚吧！

簡介（Introduction）

參考（Reference）是物件的別名（Alias），也就是替代名稱，對參考名稱存取時該有什麼行為，都參考了來源物件該有的行為，在 C++ 中，「物件」這個名詞，不單只是指類別的實例，而是指記憶體中的一塊資料。

所以參考變數是現存變數的另一個名字，將參考初始化為某個變數，就可以使用該參考名稱或變數名稱來指向變數。

參考常常與指標做比較，原因是他們的性質相同，同樣地，我們先從定義上來看：

:::success
指標（Pointer）：

  • 指標是一種變數，用來儲存其他變數的記憶體位址。指標可以直接對記憶體進行運算。
  • 宣告時使用星號（*）來表示，例如：int* ptr; 表示 ptr 是一個指向整數的指標。
    :::

:::info
參考（Reference）：

  • 參考是另一個變數的別名，並且必須在宣告時初始化。參考可以直接對原始變數進行運算，不需要額外的解參考運算（Deference）。
  • 宣告時使用 & 符號，例如：int& ref = original; 表示 ref 是 original 的參考。
    :::

筆者列以下表格比較兩者差異：

ItemsPointerReference
初始化可以不初始化，後續可重新指向其他變數必須在宣告時初始化，且無法更改指向
NULL可以為空（nullptr），表示不指向任何有效地址不能為空，必須始終指向一個有效的變數
語法使用星號（*）來宣告和解參考使用 & 來宣告，如普通變數一般使用方式
靈活性可以指向不同型態的變數，包括指標本身只能用作變數的別名，不支援指向其他參考或空值
效能可能會導致額外的解參考開銷避免了不必要的資料複製，提升效能

有關參考的相關應用，如下四點：

  1. 修改函數中傳遞的參數
  2. 避免複製大型結構
  3. 在 For Each 迴圈中修改所有物件
  4. For Each 迴圈以避免物件的複製

Source：https://www.geeksforgeeks.org/references-in-cpp/

For Each Loop 相關資訊：https://zh.wikipedia.org/zh-tw/Foreach%E5%BE%AA%E7%8E%AF

其實，參考就像是一個人的綽號，一個人可以有很多的綽號，像是：彬彬、呆呆等等，無論有多少個綽號，這些都是指同一個人的意思，同一個人就是最原始的自己，所以是原始變數。

建立參考（Create a Reference）

假設我們有個原始變數叫做 i：

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int i = 0;

那麼我們可以替 i 宣告參考變數：

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int& r = i;

& 運算子放置於資料型態後方可用於定義一個參考。

以下是一個範例：

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#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    int x = 10;

    // ref 為 x 的參考
    int& ref = x;

    // x 的值現在變成 20
    ref = 20;
    cout << "x = " << x << '\n';

    // x 的值現在變成 30
    x = 30;
    cout << "ref = " << ref << '\n';

    return 0;
}

Source：https://www.geeksforgeeks.org/references-in-cpp/

輸出結果：

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2
x = 20
ref = 30

先前我們有談過函數的參數傳遞，其中有所謂的傳參考呼叫，詳情請至我的筆記 part 11，「傳送門點我」。

藉參考回傳（Return by reference）

在 C++ 中，參考也可當成回傳值使用，如同指標的做法一般。

但是必須要注意以下這三點，才能好好使用 reference：

  1. 作用域（Scope）：當函數回傳一個參考時，必須確保被參考的物件在函數結束後仍然有效。回傳局域變數的參考是無效的，因為局域變數在函數結束後會被銷毀。
  2. 修改原始數據：回傳的參考允許呼叫者直接修改原始數據，可能導致意外的副作用。如果不希望修改原始數據，應使用 const 修飾詞來回傳常數參考。
  3. 靜態變數（static）的使用：可安全回傳靜態變數的參考，因為靜態變數在整個程式執行期間都存在。

以下是個範例：

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#include <iostream>
using namespace std;

double vals[] = {10.1, 12.6, 33.1, 24.1, 50.0};

// 回傳陣列中指定索引的元素的參考
double& setValues(int i) {
    return vals[i]; // 回傳第 i 個元素的參考
}

int main() {
    cout << "改變前的值：" << endl;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        cout << "vals[" << i << "] = " << vals[i] << endl;
    }

    // 改變第 2 和第 4 個元素
    setValues(1) = 20.23; 
    setValues(3) = 70.8; 

    cout << "改變後的值：" << endl;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        cout << "vals[" << i << "] = " << vals[i] << endl;
    }

    return 0;
}

輸出結果：

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改變前的值：
vals[0] = 10.1
vals[1] = 12.6
vals[2] = 33.1
vals[3] = 24.1
vals[4] = 50
改變後的值：
vals[0] = 10.1
vals[1] = 20.23
vals[2] = 33.1
vals[3] = 70.8
vals[4] = 50

程式碼解釋：

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setValues(1) = 20.23;
setValues(3) = 70.8;

由於函數中回傳的是 vals[i] 的參考，呼叫後可以視為以下的程式碼，結果是相同的：

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2
vals[1] = 20.23;
vals[3] = 70.8;

但是在這邊使用函數回傳參考值，可實現”避免了不必要的資料複製，提升效能”這句話。

總之，setValues 函數回傳 vals 陣列中指定索引的元素的參考。這樣可以直接通過這個參考來修改陣列中的值。

有關於作用域問題，以下是一個錯誤示範：

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#include <iostream>
using namespace std;

// 錯誤示範：回傳局域變數的參考
int& getLocalVariable() {
    int localVar = 42; // 局域變數
    return localVar;   // 回傳局域變數的參考
}

int main() {
    int& ref = getLocalVariable(); // 嘗試獲取局域變數的參考
    cout << "Local variable value: " << ref << endl; // 會出現未定義行為
    return 0;
}

正確示範如下：

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#include <iostream>
using namespace std;

int& getLocalVariable() {
    static int localVar = 42; // 局域變數
    return localVar;   // 回傳局域變數的參考
}

int main() {
    int& ref = getLocalVariable();
    cout << "Local variable value: " << ref << endl;
    return 0;
}

參考資料

Return by reference in C++ with Examples - GeeksforGeeks

C++ 筆記 (Reference & Pointer) - HackMD

參考

References in C++ - GeeksforGeeks

C++ 把引用作为返回值 | 菜鸟教程

C++ 引用 | 菜鸟教程