Ссылки в С++
Ссылки – особый тип данных, являющийся скрытой формой указателя, который при использовании автоматически разименовывается. Ссылка может быть объявлена как другим именем, так и как псевдоним переменной, на которую ссылается.
При объявлении ссылки перед её именем ставится символ амперсанда & , сама же ссылка должна быть проинициализирована именем переменной, на которую она ссылается. Тип данных, на который указывает ссылка, может быть любым, но должен совпадать с объектом, на который ссылается, то есть с типом данных ссылочной переменной. Для удобства, будем называть переменную, на которую ссылается ссылка «ссылочной переменной». Любое изменение значения содержащегося в ссылке повлечёт за собой изменение этого значения в переменной, на которую ссылается ссылка. Разработаем программу, в которой объявим ссылку на объект типа int .
В строке 10 объявлена ссылка reference типа int на переменную value . В строке 13 суммируется значение переменной value с числом 15, через ссылку reference . Результат работы программы смотреть на рисунке 1.
Рисунок 1 — Ссылки в С++
Просмотрев результат работы программы можно сказать, что через ссылку меняется значение ссылочной переменной. Таким образом, сама ссылка не имеет как таковой копии значения взятой у переменной при инициализации ссылки, а всего лишь ссылка ссылается на ссылочную переменную посредством её адреса.
Ссылки, как правило, в большинстве случаев используют в функциях как ссылки-параметры или ссылки-аргументы. Напомню, что в языке программирования С++ в функции передаются данные по значению и по ссылке. Так вот, когда происходит передача по значению, те данные, которые необходимо передать, нужно сначала скопировать, а когда передаётся большой объём данных, то только на передачу затрачивается большое количество времени и ресурсов. В таком случае необходимо использовать передачу по ссылке, в этом случае данные копировать нет необходимости, так как к ним обеспечен прямой доступ, но нарушают безопасность данных, хранимых в ссылочных переменных, так как открывают прямой доступ к этим данным. Хотя далее мы рассмотрим, как обеспечить целостность данных и скорость их передачи. Для этого, разработаем программу, в которой создадим три функции, аргументы в которых будут передаваться по значению и по ссылке. Вдобавок ко всему этому ещё и передачу через указатель осуществим. Частенько возникает путаница между указателями и ссылками, на первый взгляд и ссылки и указатели работают одинаково, но разница все, же есть и весьма значительная.
Начальное значение осталось неизменным в случае передачи по значению, тогда как передача по ссылке и через указатель изменили значение передаваемой переменной. Таким образом, нет необходимости использовать глобальные переменные при необходимости изменения значения передаваемой переменной, нужно воспользоваться ссылкой или указателем. В случае использования указателя строка 18 нельзя забывать про операцию взятия адреса, так как аргументом является указатель. В случае со ссылкой, достаточно указать только имя переменной и всё строка 16. Результат работы программы показан на рисунке 2.
Рисунок 2 — Ссылки в С++
В чём же разница между указателями и ссылками? Основное назначение указателя – это организация динамических объектов, то есть размер, которых может меняться (увеличиваться или уменьшаться). Тогда как ссылки предназначены для организации прямого доступа к тому, или иному объекту. Главное отличие состоит во внутреннем механизме работы. Указатели ссылаются на участок в памяти, используя его адрес. А ссылки ссылаются на объект, по его имени (тоже своего рода адрес). Если нет необходимости изменить передаваемое значение в ссылочной переменной, но нужно выиграть в скорости, используйте спецификатор const в объявлении параметров функций. Только так и можно защитить данные от случайного их изменения или полной потере.
Для чего нужен указатель в Си?
Указатель в Си — это переменная, содержащая адрес другой переменной. Сложность указателей заключается в понимании где и для чего они могут пригодиться.
Перед тем, как я начну рассказывать об указателях и зачем они программистам, быстренько вспомним основы:
Указатель
В Си указателем называется переменная, содержащая адрес другой переменной. Его можно использовать с любым типом данных, написав:
Оператор « & » (амперсанд) определяет адрес переменной, а оператор « * » разыменования позволяет получить значение по адресу, указанным указателем. В примере выше адрес i присваивается к указателю ptr и получается, что ptr указывает на i .
Для чего нужен указатель в Си
Функции в Си принимают аргументы, передавая или копируя значения в стек функции. Такой метод иногда называется передачей по значению. Поскольку функции в Си и переменные, переданные им, в действительности не связываются, любые внесённые изменения в эти переменные не будут сохраняться за пределами действия функции. Это может вызвать сложности, потому что в некоторых функциях необходимо изменять текущие переменные. Здесь-то нам и пригодится указатель. С его помощью можно получить доступ к памяти, находящейся за пределами стекового кадра. Однако важно отметить, что с помощью указателя можно получить доступ лишь к переменным, расположенным ниже текущего кадра.
В примере выше простая функция с задачей — увеличить на единицу число, проходящее через параметры. Функция написана следующим образом:
Однако при запуске кода никаких изменений с переменной не происходит. Связанно это с тем, что в функцию increment (увеличения) копируется только значение переменной, и остальная часть программы не видит изменений, внесённых в эту переменную. Другими словами, переменная i находится внутри функции increment() , и несмотря на одинаковые названия, это не одна и та же переменная, что int i , расположенная за пределами этой функции.
Для того, чтобы решить эту проблему, нужно вместо самой переменной передать в функцию increment указатель этой переменной. Таким образом мы предоставим текущей функции доступ к переменной i , которая не попадает в область действия при выполнении этой функции. Выглядит она вот так:
Зачем нужен амперсанд перед именем функции/метода?
Функция возвращает ссылку на int. Ссылка — это как указатель, только она не может указывать вникуда. Соответственно, вы не можете завести переменную ссылку сразу не инициализировав ее — а на что она будет указывать. И также ссылки, в отличии от указателей, не надо ее разыменовывать.
Использовать можно, например, вот так:
Тут под переменную ref не выделяется память, ведь это ссылка, которая инициализируется тем, что вернула Foo. Так же сам объект не копируется. Максимум, под капотом скопируется адрес.
Поэтому ссылки имеет смысл заводить на тяжелые объекты, чтобы не копировать их зря и не выделять память.
Так же можно через эту возвращенную ссылку изменять основной объект:
Этот код выведет 10.
Поэтому бывает смысл возвращать ссылки из метода объекта, если вам надо что-то внутри объекта поменять. Например, так можно сделать всякие структуры данных вроде ассоциативного массива. Какой-то метод по ключу будет возвращать ссылку на значение. И через эту ссылку можно элементу ассоциативного массива присвоить значение.
Ну и еще, можно с этой возвращенной ссылкой работать и как с обычным int:
int x = 2 + Foo();
Но если вы не собираетесь менять значение внутри или не пытаетесь сэкономить на копировании объекта, то вам нет смысла вообще ссылки использовать.
Ну и, конечно, аккуратно со ссылками надо быть. Вполне можно извернуться и получить ссылку указывающую на удаленную память. Напрямую ссылки на локальные переменные компилятор возвращать не дает, но если сначала взять адрес в указатель, а потом его разименовать и вернуть как ссылку, то вы получите undefined behavior.