深度解析C++中函数重载与引用

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1. 函数重载

在中文语境中有些词语它就是一词多义的，人们通过上下文来判断词语的意思，即该词被重载了。
就比如说：以前有个笑话，我们国家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，一个是足球。前者"谁也赢不了"后者"谁也赢不了"。

1.1 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，这些函数的形参列表（参数个数或者类型或者类型顺序）不同，常用来处理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 test()
{
	cout<<"test()"<<endl;
}
void test(int a)
{
	cout<<"test(int a)"<<endl;
}
//3.参数类型顺序不同
void test2(int a,char b)
{
	cout<<"test2(int a,char b)"<<endl;
}
void test2(char b,int a)
{
	cout<<"test2(char b,int a)"<<endl;
}
int main()
{
	add(1,2);
	add(1.1,2.2);
	
	test();
	test(100);
	
	test2(10,'a');
	test2('a',10);
	
	return 0;
}

1.2 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. 实际项目中通常是由多个头文件和多个源文件构成的，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的，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。
3. 那么链接时，面对Add函数，链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++演示这个修饰后的名字。
5. 通过下面我们可以看到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语言编译器编译后的结果：

//file.c中的代码
#include <stdio.h>
int Add(int a,int b)
{
    return a+b;
}
void test(int a,double b,int*p)
{
   //... 
}
int main()
{
    Add(10,20);
    test(1,2,0);
    return 0;
}

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
  

总结：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，但道理类似。
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地，只要参数不同，修饰出来地名字就不一样，那么就可以支持重载了。
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。

2. 引用

2.1 引用的概念

引用不是新定义一个变量，而是给已存在变量取一个别名，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。
就像外号一样，尽管名字不同但人都是一个人。
语法：

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体

#include <cstdio>

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

int main()
{
	test();
	return 0;
}
//打印结果:
/*
009EFDE0
009EFDE0
*/

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的。

2.2 引用的特性

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，就不能再引用其他实体。

void test()
{
	int a = 10;
	//int& ra;//引用在定义时必须初始化,否则报错
	int& ra = a;
	int& rra = a;
	printf("%p\n", &a);
	printf("%p\n", &ra);
	printf("%p\n", &rra);
}
//打印结果:
/*
00AFF9A0
00AFF9A0
00AFF9A0
*/

2.3 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，10为常量
	const int& b = 10;
	double d = 3.14;
	//int& rd = d;该语句编译时会出错，类型不同
	const int& rd = d;
}

2.4 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;
}

观察下来代码，会输出什么结果？

#include <iostream>
using namespace std;
int& add(int a, int b)
{
	int c = a + b;
	return c;
}

int main()
{
	int& ret = add(2, 3);
	add(4, 5);
	cout << "add(2,3) is :" << ret << endl;
	return 0;
}
//打印结果
/*
add(2,3) is :9
*/

注意：如果函数返回了，出了函数作用域，如果返回对象还在（没有还给系统），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。

2.5 传值、传引用效率比较

演示：效率对比，值和引用作为参数类型的性能对比

#include <iostream>
#include <ctime>
using namespace std;
struct  A
{
	int a[10000];
};
void TestFunc(A a)
{

}
void TestFunc2(A& a)
{

}
int main()
{
	A a;
	//以值作为函数参数
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
	{
		TestFunc(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 << "Testfunc(A) time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "Testfunc2(A&) time:" << end2 - begin2 << endl;
	return 0;

}
//打印结果        
/*
Testfunc(A) time:12
Testfunc2(A&) time:0
(单位毫秒)
*/

演示：值和引用的作为返回类型的性能对比

#include <iostream>
#include <ctime>
using namespace std;
struct  A
{
	int a[10000];
};
struct A a;
//值返回
A TestFunc()
{
	return a;
}
//引用返回
A& TestFunc2()
{
	return a;
}
int main()
{
	//以值作为函数的返回类型
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
	{
		TestFunc();
	}
	size_t end1 = clock();

	//以引用作为函数的返回类型
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
	{
		TestFunc2();
	}
	size_t end2 = clock();
	//分别计算两个函数运行结束后的时间
	cout << "Testfunc(A) time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "Testfunc2(A&) time:" << end2 - begin2 << endl;
	return 0;
}
//打印结果
/*
Testfunc(A) time:25
Testfunc2(A&) time:1
*/

结论：通过上述的代码可以清楚的发现，传值和传引用在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

2.6 引用和指针的区别

在语法层面上呢，引用就是一个别名，没有独立空间，和其被引用体共用一块空间。

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int val = 100;
	int& rval = val;
	cout<<"&val = "<<&val<<endl;
	cout<<"&rval = "<<&rval<<endl;
	return 0;
}
//打印结果
/*
&val = 003AFB98
&rval = 003AFB98
*/

但是呢，在底层方面实际是由空间的，因为引用是按照指针方式来实现的。

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	ra = 20;
	int* pa = &a;
	*pa = 20
	return 0;
}

反汇编：

可以看到操作是类似的。
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，指针就没有要求。
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，而指针可以再任何时候指向任何一个同类型实体。
4. 没有NULL引用，但是又NULL指针
5. 再sizeof中含义不同：引用结果为引用类型的大小，但是指针始终是地址空间所占字节数个（根据所在平台确定，如32位平台占4个字节）
6. 引用自加即引用的实体加1，指针自加即指针向后偏移一个类型的大小。
7. 由多级指针，但是没有多级引用。
8. 访问实体方式不同，指针需要显示解引用，引用编译器自己处理。
9. 引用比指针使用起来相对安全。