C++深入探究引用的本质与意义

来源：脚本之家时间：2022-04-21 17:54:55

一、引用的意义

引用作为变量别名而存在，因此在一些场合可以代替指针引用相对于指针来说具有更好的可读性和实用性

下面通过代码来进行说明，在C语言中，可以这么写：

#include 
void swap(int* a, int* b)
{
	int t = *a;
	*a = *b;
	*b = t;
}
int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;
	swap(&a, &b);
	printf("a = %d, b = %d\n", a, b);
	return 0;
}

下面为输出结果，可以看到a,b被交换。

若采用C++用的引用，则采用下面的代码：

#include 
void swap(int& a, int& b)
{
	int t = a;
	a = b;
	b = t;
}
int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;
	swap(a, b);
	printf("a = %d, b = %d\n", a, b);
	return 0;
}

下面为输出结果，需要注意的是，引用作为函数的形参时，不需要进行初始化，初始化发生在函数调用的时候（形参一旦被初始化后，就代表两个具体的外部变量）。

二、特殊的引用

const 引用

在C++中可以声明const 引用const Type& name = var ;const 引用让变量拥有只读属性当使用常量对const引用进行初始化时，C++编译器会为常量值分配空间，并将引用名作为这段空间的别名

所以上面那段代码，b = 5 是不正确的，因为 b 已经是只读变量了，但是依旧可以通过指针改变这个只读变量的值。

结论：使用常量对const 引用初始化后将生成一个只读变量

下面看一段代码，加深理解：

#include 
void Example()
{
    printf("Example:\n");
    int a = 4;
    const int& b = a;
    int* p = (int*)&b;
    //b = 5;
    *p = 5;
    printf("a = %d\n", a);
    printf("b = %d\n", b);
}
void Demo()
{
    printf("Demo:\n");
    const int& c = 1;
    int* p = (int*)&c;
    //c = 5;
    *p = 5;
    printf("c = %d\n", c);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    Example();
    printf("\n");
    Demo();
    return 0;
}

下面为输出结果：

如果把那两行（b = 5，c = 5）取消注释，则就会输出下面结果，编译器会报 b 和 c 都是只读变量的错误。

三、引用是否占用存储空间

下面看一段代码：

#include 
struct TRef
{
    char& r;
};
int main(int argc, char *argv[])
{ 
    char c = "c";
    char& rc = c;
    TRef ref = { c };
    printf("sizeof(char&) = %d\n", sizeof(char&));	//char类型占用一个字节 1
    printf("sizeof(rc) = %d\n", sizeof(rc));	//sizeof(c) => 1
    printf("sizeof(TRef) = %d\n", sizeof(TRef));	//？
    printf("sizeof(ref.r) = %d\n", sizeof(ref.r));	//sizeof(c) => 1
    return 0;
}

下面为输出结果，可以看到sizeof(TRef)占用的内存空间为4，我们知道指针占用的内存空间为4，那么指针和引用到底有什么关系呢？第4节来分析。

四、引用的本质

引用在C++中的内部实现是一个指针常量

注意：

C++编译器在编译过程中用指针常量作为引用的内部实现，因此引用所占用的空间大小与指针相同。从使用的角度，引用只是一个别名，C++为了实用性而隐藏了引用的存储空间这一细节。

通过下面的代码，也可以很好的理解引用所占的字节数：

#include 
struct TRef
{
    char* before;
    char& ref;
    char* after;
};
int main(int argc, char* argv[])
{
    char a = "a";
    char& b = a;
    char c = "c";
    TRef r = {&a, b, &c};
    printf("sizeof(r) = %d\n", sizeof(r));
    printf("sizeof(r.before) = %d\n", sizeof(r.before));
    printf("sizeof(r.after) = %d\n", sizeof(r.after));
    printf("&r.before = %p\n", &r.before);
    printf("&r.after = %p\n", &r.after);
    return 0;
}

下面为输出结果，可以看到结构体占用12个字节，before 和 after 指针各占用4个字节，所以 ref 引用当然也占用4个字节，通过 after 的起始内存地址减上 before 的起始内存地址得8，而 before 指针占用4个字节，从这个层面也能知道 ref 引用占用4个字节。

为了深入理解引用的本质，可以在 Visual Studio 2012 中进行反汇编，如下图，现在return 0那里打个断点，然后点击本地 Windows 调试器，开始执行代码。

执行完代码后，鼠标右击空白区域，选择转到反汇编。

下面看一下反汇编的部分代码，主要看引用那部分的汇编代码，lea eax,[a] 表示取a的地址，存到 eax 寄存器中，mov dword ptr [b],eax表示把a 的地址保存到 b 所对应的4个内存空间里面去。可以这么说，引用的内部实现就是指针，所以引用占用内存空间，且占用内存空间大小和指针一样。

五、引用的注意事项

C++中的引用旨在大多数的情况下代替指针

功能性：可以满足多数需要使用指针的场合安全性∶可以避开由于指针操作不当而带来的内存错误操作性∶简单易用，又不失功能强大

下面通过一个函数返回引用，介绍一下引用的注意事项。

#include 
int& demo()    //从内部实现来看，想返回一个指针 int* const
{
    int d = 0;
    printf("demo: d = %d\n", d);
    return d; //本质上，相当于 return &d
}
int& func()
{
    static int s = 0;
    printf("func: s = %d\n", s);
    return s;    //本质上，相当于 return &s
}
int main(int argc, char* argv[])
{
    int& rd = demo();
    int& rs = func();
    printf("\n");
    printf("main: rd = %d\n", rd);
    printf("main: rs = %d\n", rs);
    printf("\n");
    rd = 10;
    rs = 11;
    demo();
    func();
    printf("\n");
    printf("main: rd = %d\n", rd);
    printf("main: rs = %d\n", rs);
    printf("\n");
    return 0;
}

下面为输出结果，可以看到编译的时候开始发出警告说不能返回局部变量，如果继续运行，可以看到 rd = 9658356，rd 为 d 的别名，按理说应该输出 0 的，为什么输出9658356 呢？这个因为 rd 所代表的的变量在 demo 函数调用返回的时候被摧毁了，其所代表的是一个不存在的变量，所以 rd 没有意义了。

引用中必须遵守的规则：不要返回局部变量的引用。如果局部变量是静态的，则可以。因为静态局部变量的存储区是全局的存储区，所以它的空间不会因为函数的返回而被摧毁。