参照の基本と参照渡しを活用する方法

はじめに

C++の「参照」は、変数を効率的に扱うために非常に便利な機能です。本記事では、参照の基本的な使い方から、関数への参照渡し、パフォーマンス向上のためのテクニックまでを解説します。

参照とは？

参照（Reference）は、既存の変数に別名をつける仕組みです。ポインタと異なり、NULL（ヌル）を指すことがなく、より直感的に扱うことができます。

参照の宣言と使用方法

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
  int a = 3;
  int &b = a;  // bは変数aの参照
cout << "a: " << a << endl;  // aの値を出力（3）
  cout << "b: " << b << endl;  // bの参照先の値を出力（3）
b = 4;  // 参照先の値を変更（aが4になる）
  cout << "a: " << a << endl;  // aの値を出力（4）
  cout << "b: " << b << endl;  // bの参照先の値を出力（4）
}

参照の特徴

& 記号を用いて参照を定義する。

参照を通じて値を変更すると、元の変数も変更される。

一度参照を定義すると、別の変数を参照することはできない。

関数への参照渡し

参照渡しとは？

関数の引数を参照として受け取ることで、コピーを作成せずに値を変更することができます。

int g(int &x) {
  x = x * 2;  // xの参照先（呼び出し元の変数）が変更される
  return x;
}
int main() {
  int a = 3;
  int b = g(a);  // xの参照先がaになる
  cout << "a: " << a << endl;  // a: 6
  cout << "b: " << b << endl;  // b: 6
}

参照渡しのメリット

不要なコピーを防ぐ → パフォーマンス向上

関数で複数の値を返す

関数で複数の値を返す

参照を使うことで、関数の戻り値とは別に複数の値を返すことができます。

#include <iostream>
using namespace std;
void min_and_max(int a, int b, int c, int &minimum, int &maximum) {
  minimum = min(a, min(b, c));
  maximum = max(a, max(b, c));
}
int main() {
  int minimum, maximum;
  min_and_max(3, 1, 5, minimum, maximum);
  cout << "minimum: " << minimum << endl;  // 1
  cout << "maximum: " << maximum << endl;  // 5
}

参照を使ったパフォーマンス改善

関数の引数を参照渡しにすることで、不要なコピーを減らし、処理速度を大幅に向上できます。

参照を使わない場合（時間がかかる）

#include <vector>
using namespace std;
int sum100(vector<int> a) {  // 配列をコピー
  int result = 0;
  for (int i = 0; i < 100; i++) {
    result += a.at(i);
  }
  return result;
}
int main() {
  vector<int> vec(10000000, 1);
  for (int i = 0; i < 500; i++) {
    cout << sum100(vec) << endl;  // 毎回コピーが発生（遅い）
  }
}

この場合、vec が毎回コピーされるため、処理時間が 7813 ms ほどかかります。

参照を使った場合（高速）

int sum100(const vector<int> &a) {  // 参照渡し（コピーなし）
  int result = 0;
  for (int i = 0; i < 100; i++) {
    result += a.at(i);
  }
  return result;
}

これにより、処理時間が 15 ms まで短縮されます。大量のデータを扱う場合、参照渡しを活用することで大幅なパフォーマンス改善が可能です。

まとめ

参照は変数の別名を作成する機能

関数の引数を参照にすると、値のコピーを防げる

複数の値を関数から返す際に便利

参照渡しを使うとパフォーマンスが向上する

C++を効率よく使いこなすために、ぜひ参照を活用してください！