在C代码的函数调用中传递简单类型的变量是没什么问题的，如int、float的变量，也就几个字节，多拷贝几次都不会有太大的资源开销。但在工程应用上，我们的代码充满了业务相关的结构体的变量，这些结构体可能很复杂。
下面以图形编程中的矩阵运算为例，我们先实现一个简单的矩阵类型及配套的加法函数：
//矩阵运算V1.0:C传值版本structMatrix{floatdata[3][3];};Matrixadd(Matrixma,Matrixmb){Matrixmr;for(inti=0;i3*3;i++)mr.data=ma.data+mb.data;returnmr;}intmain(){Matrixa={{{1,2,3},{4,5,6},{7,8,9}}};Matrixb={{{2,2,2},{3,3,3},{4,5,6}}};Matrixc=add(a,b);return0;}
在定义Matrix数据结构时，为了简化模型便于理解，我们使用了固定3*3的静态内存分配floatdata[3][3]，所以当我们用Matrix定义一个局部变量时，整个矩阵数据data[3][3]都将在函数调用栈上进行分配。虽然整个Matrix仅占用=36B内存，但显然比基本类型的变量大很多了，如果矩阵的维数是*，一个Matrix变量占用的内存将达到近10KB，这种情况下，我们调用add(a,b)这个函数，a和b分别被拷贝了一份给ma和mb，然后把加法结果返回给c时，又会产生一次临时变量并分别拷贝了两次，总计额外拷贝了4次共40KB，对于我们的业务来说，这些内存拷贝操作是昂贵的，而且是多余的。
为什么编译器要帮我们自动创建和拷贝两次临时变量？函数传参好理解，因为调用语义就是传值调用，肯定要重新分配一个新的空间来容纳传入的值；函数返回值稍复杂一些，我们知道，局部变量（这里指Matrix对象）分配在函数调用的栈空间上，当函数调用add(a,b)退出时，本次调用的栈空间也被自动释放了（栈是后进先出），那当你返回一个局部变量时，编译器肯定得在外层函数的栈空间上临时给你分配一块新空间，并把刚才函数退出前的要return的栈变量所占的存储空间的值拷贝一份过去，然后才敢放心地执行下一行代码，等效于临时变量=add(a,b)。因为不这样通过临时及时保护现场的话，下一行代码调用新的函数，原来函数调用的栈空间很快就会被新的调用给征用，原来的局部变量搞不好就被新的变量覆盖。然后才执行到Matrixc=临时变量，编译器才会把这个没有名字的临时变量赋值给外层函数的局部变量c，出现第二次拷贝。虽然现在的编译器大都可以把这种重复拷贝构建的情形优化掉，但在某些情况，编译器的确还弄不清楚具体的逻辑，不敢擅自优化，所以编译器的优化选项不是总是有效。
怎么解决这个问题？使用指针！指针就是一个变量的地址（占用内存才几个字节），我们完全可以传递大变量的地址给函数，计算结果也放入指定的地址中：
//矩阵运算V1.1:C传指针版本voidadd(Matrix*ma,Matrix*mb,Matrix*mr){for(inti=0;i3*3;i++)mr-data=ma-data+mb-data;}intmain(){Matrixa={{{1,2,3},{4,5,6},{7,8,9}}};Matrixb={{{2,2,2},{3,3,3},{4,5,6}}};Matrixresult;add(a,b,result);return0;}
传指针的开销几乎可以忽略不计，所以整体效率终于提上去了，但像add(a,b,result)的书写代码的形式，以及通过指针访问内部变量-的符号实在不太优雅。而且关键是，编程的思维方式变了，我们时刻想着要传指针，要提前准备好空变量（result）让函数内操作它，这种函数内部操作外部资源的扭曲思想，确实不是一个好法子。
C++函数调用：引用传递和操作符重载
为了解决V1.1版本代码书写难看、思想扭曲的问题，C++在诞生之初，就把这个问题列入关键问题，提出了引用类型。所谓引用，就是绑定到某个对象的别名，相当于一个对象有两条名，我们无论使用哪一条名，效果是一样。我们在声明一个引用时，就必须初始化它，把它绑定到一个对象上。一旦一条别名绑定了一个对象，后续该别名不能再绑定到另一个对象。
Matrixa,b;Matrix*pb=b;Matrixra=a;//把ra绑定到a上，ra就是a//终于可以愉快地使用.访问成员了，抛弃了丑陋的-ra.data[1][1]=2.5f;ra=b;//ra是a的一个别名，所以a的值也跟着改变ra=*pb//指针版还得使用丑陋的*转化为对象
看见了吗，上述代码中ra就是a，它们是同一个对象，只不过有两条名字而已。引用定义的变量ra本质上是一个指针（编译器在底层就是这么干的），但它抛弃了指针那一套操作符号（*和-），和对象的使用完全没两样，代码上直观多了。
可能有人会说，为了这点直观，引入引用这个新的机制，大大增加了语言的复杂性，得不偿失。我们换一个角度，C++诞生之初，完全可以抛弃指针，只用引用那一套，做得像java一样，也是完全可以的。java中自定义类型都是对象，对象可以传来传去，但要显式使用new来创建。java的对象类型就是C++的引用类型的加强版。这样的话，就不需要指针那一套了，是不是让语言机制更简化？虽然真实世界是C++要兼容C还要保留指针，但我们可以不学它不用它，只学引用，行不行？
事实上，实际项目通常是不会写出上面这样的代码的，这里只是为了说明引用的概念及基本操作。引用更多是应用在函数的传入传出上：
//矩阵运算V2.0:C++传引用版本classMatrix{private:float*data_;//数据introws_;//行数intcols_;//列数public://构造一个空矩阵Matrix():rows_(0),cols_(0),data_(nullptr){}//构造一个rows*cols的矩阵Matrix(introws,intcols):rows_(rows),cols_(cols){data_=newfloat[rows_*cols_];}//拷贝构造一个矩阵，深拷贝Matrix(constMatrixm):rows_(m.rows_),cols_(m.cols_){data_=newfloat[rows_*cols_];memcpy(data_,m.data_,rows_*cols_*sizeof(float));}~Matrix(){if(data_)delete[]data_;data_=nullptr;rows_=cols_=0;}//下标操作符重载，返回第i个元素的引用floatoperator[](inti){returndata_;}//在当前矩阵上加上矩阵mvoidadd(constMatrixm){for(inti=0;im.rows_*m.cols_;i++)data_=data_+m.data_;}//+操作符重载，返回a+b的值friendMatrixoperator+(constMatrixa,constMatrixb){Matrixtemp(a.rows_,a.cols_);for(inti=0;itemp.rows_*temp.cols_;i++)temp.data_=a.data_+b.data_;returntemp;}};intmain(){Matrixa(8,9);//构建一个8*9的矩阵aa[18]=5.5f;//给第18个元素赋值，返回引用的简洁优雅Matrixb(a);//构建一个与a拥有一样数据的新矩阵bb.add(a);//相当于b=b+a，传引用效率高Matrixc(a);//构建一个与a拥有一样数据的新矩阵cMatrixd=b+c;//重载+并传递引用后，代码极其简洁高效return0;}
在定义Matrix数据结构时，区别于C版本的固定3*3的对象内存分配floatdata[3][3]，我们在C++版本中使用了堆内存data_来保存具体的矩阵数据。为了管理好这个堆内存，我们需要为其编写析构函数，以便在对象被销毁时能正确释放这块堆内存；同时我们为其提供拷贝构造函数，以实现深拷贝，避免编译器默认为我们直接拷贝指针造成指向同一块内存，以致于对象释放时被多次释放同一块内存。
对上述代码几次使用引用场景的解析如下：
拷贝构建函数Matrix(constMatrixm)传入了一个（常量）引用作为构建新对象的模板。在该函数内部，形参m是一个引用，被绑定到了实参a中，m就是a的一个别名，编译器并不会为m在栈中分配内存，因为m仅仅是一个别名而已，底层是一个指针，所以传递效率非常高。因为操作符重载operator函数返回了float的引用，虽然返回的引用我们没有取名字，是匿名的，但它实现在在绑定到了第i个元素，所以我们可以给它赋值：a[18]=5.5f;可以看到引用机制和操作符重载的加入，我们才能写出如此优雅简洁的C++代码，Java都不行！因为add(constMatrixa)函数的形参是Matrix的（常量）引用，所以我们在调用b.add(a)时，传入的a仅仅相当于传了一个指针，避免了局部对象的创建引起的深度拷贝。函数operator+(a,b)也是传了两个引用，避免了两个局部对象的创建；而且因为重载了+操作符，最终的调用代码d=b+c;及其优雅美观简洁大方，与内置数据类型一致。只是这个函数在返回时仍然只能返回局部变量，造成了编译器为其在上层函数调用栈拷贝构建了一个临时对象，然后这个临时对象给d赋值，再一次调用拷贝构建函数，把临时对象深度拷贝给d，最终造成额外的两次拷贝构造。理想的设计是，这里应该返回引用，但在C++11推出右值引出前，我们返回一个局部变量的引用是非法的，因为局部变量在函数返回后即自动销毁，使用它的引用会产生不可预料的后果。所以目前只能允许这个不和谐的声音继续存在。
可以看到，对于C++98的引用，我们用得更多的是函数传入参数，以避免临时对象的产生和深度拷贝开销；而在函数传出（返回值）上，只能返回成员对象的引用，应用面很窄。其实，在函数传出上还有一些特殊的应用场景：
返回*this当前对象的引用，实现链式初始化的编程效果；返回静态对象的引用，实现单例设计模式；
返回引用：链式调用和链式初始化
还记得我们照着教程写的第一个C++程序吗？
intmain(){stringname,age;cout"请输入你的名字："endl;cinnameage;cout"你的名字叫"nameendl"只要我想可以到天荒地老";return0;}
我们为什么可以连续不断链式追加或来输入输出多个变量？因为STL的内置对象cin和cout的iostream类中实现了操作符或的重载，关键是，这些重载的函数中，返回了this对象的引用。我们自己的普通函数（非操作符重载），也可以返回当前对象的引用也实现链式调用的效果，比如这样：
//矩阵运算V2.1:C++通过返回引用实现链式初始化的编程方法classMatrix{//...省略V2.0原来的Matrix成员函数和变量//新增加如下几个返回本对象引用的函数Matrixrows(intrs){rows_=rs;return*this;}Matrixcols(intls){cols_=ls;return*this;}Matrixbuild(){data_=newfloat[rows_*cols_];return*this;}Matrixset(floatinitValue){memset(data_,initValue,rows_*cols_*sizeof(float));return*this;}};intmain(){Matrixa(8,9);//构建初始化：一个8*9的矩阵aMatrixb;//空矩阵//链式初始化：设置b的维数为8*9，然后构建，然后设置所有元素为1b.rows(8).cols(9).bulid().set(1.0f);//传统settor初始化Matrixc;c.rows(8);c.cols(9);c.build();c.set(1.0f);return0;}
大家仔细品一下构造初始化、传统settor初始化、链接初始化的优劣势。
构造函数初始化，必须按照定义的顺序传值，看代码时没有明确的提示，且不能缺省中间某一个参数；传统settor初始化虽然可以灵活的根据需求设置特定某些值，设置的值的意义也很明确，但要占用多行代码；链式初始化既简洁、又灵活、设置的值的意思还非常明确，特别是要设置的参数很多时，优势更明显；
实现链式初始化的代价，仅仅是在传统的settor函数的最后，返回当前对象的引用即可。性能完全不用担心，因为都是inline函数，编译器会自动帮我们优化。
返回静态对象的引用：最简单的单例模式
在C++11之前，实现单例的设计模式会稍微麻烦点，但在C++11之后，因为保证了static成员对象构造的原子操作语义，直接返回局部静态对象的引用，即可实现赖汉模式的单例（在第一次调用时才构建），而且因为返回了引用，我们在使用这个单例对象时，用.代替了-，代码看起来更加简洁分明。
classFileManager{private://构建函数被声明为private，外部不能构造新对象FileManager()=default;public:staticFileManagerinstance(){//获取唯一的对象staticFileManagermanager;//懒汉，C++11及以上线程安全returnmanager;}voidcreateFile(stringpath);//业务函数};intmain(){FileManager::instance().createFile("C:\\temp\\haha.txt");return0;}
如果你有耐心读到这里，相信你已经把C++的引用机制的由来、优势和典型应用场景等掌握得差不多了，是不是很简单？实际软件工程应用上，引用的应用场景也就这么些了，如果你能融汇贯通上面的知识点并加以应用，已经比很多C++程序员牛了。