38. C++ 引用的本质

1. C++ 引用的本质

1.1 引用的底层实现方式

引用被称为变量的别名，它不能脱离被引用对象独立存在，这是在高级语言层面的概念和理解，并未揭示引用的实现方式。常见错误说法是“引用“自身不是一个变量，甚至编译器可以不为引用分配空间。

存放的是被引用对象的地址。

实际上，引用本身是一个变量，只不过这个变量的定义和使用与普通变量有显著的不同。为了解引用变量底层实现机制，考查如下代码：

int i = 5;
int &ri = i;
ri = 8;

在Visual Studio 2017环境的debug模式调试代码，反汇编查看源码对应的汇编代码的步骤是：调试->窗口->反汇编，即可得到如下原码对应的汇编代码：

int i = 5;
00A013DE  mov        dword ptr [i],5      # 将文字常量5送入变量i

int &ri = i;
00A013E5  lea        eax,[i]              # 将变量i的地址送入寄存器eax
00A013E8  mov        dword ptr [ri],eax   # 将寄存器的内容（也就是变量i的地址）送入变量ri

ri = 8;
00A013EB  mov        eax,dword ptr [ri]   # 将变量ri的值送入寄存器eax
00A013EE  mov        dword ptr [eax],8    # 将数值8送入以eax的内容为地址的单元中

return 0;
00A013F4  xor        eax,eax

考查以上代码，在汇编代码中，ri的数据类型为dword，也就是说，ri要在内存中占据4个字节的位置。所以，ri的确是一个变量，它存放的是被引用对象的地址。由于通常情况下，地址是由指针变量存放的，那么，指针变量和引用变量有什么区别呢？使用指针常量实现上面的代码功能。考查如下代码：

int i = 5;
int* const pi = &i;
*pi = 8;

按照相同的方式，在VS2017中得到如下汇编代码：

int i=5;
011F13DE  mov         dword ptr [i],5  

int * const pi = &i;
011F13E5  lea         eax,[i]  
011F13E8  mov         dword ptr [pi],eax 

*pi = 8;
011F13EB  mov         eax,dword ptr [pi]  
011F13EE  mov         dword ptr [eax],8  

观察以上代码可以看出：
（1）只要将pi换成ri，所得汇编代码与第一段所对应的汇编代码完全一样。所以，引用变量在功能上等于一个指针常量，即一旦指向某一个单元就不能在指向别处。
（2）在底层，引用变量由指针按照指针常量的方式实现。

（3）引用是一种更安全的指针，因为引用必须初始化，不会出现空指针或野指针

（4） 存在多级指针，但不存在多级引用

1.2 高级语言层面引用与指针常量的关系

（1）在内存中都是占用4个字节（32bits系统中）的存储空间，存放的都是被引用对象的地址，都必须在定义的同时进行初始化。

（2）指针常量本身（以p为例）允许寻址，即&p返回指针常量（常变量）本身的地址，被引用对象用*p表示；引用变量本身（以r为例）不允许寻址，&r返回的是被引用对象的地址，而不是变量r的地址（r的地址由编译器掌握，程序员无法直接对它进行存取），被引用对象直接用r表示。

（3）凡是使用了引用变量的代码，都可以转换成使用指针常量的对应形式的代码，只不过书写形式上要繁琐一些。反过来，由于对引用变量使用方式上的限制，使用指针常量能够实现的功能，却不一定能够用引用来实现。

例如，下面的代码是合法的：

int i=5, j=6;
int* const array[] = {&i,&j};

而如下代码是非法的：

int i = 5, j = 6;
int& array[] = {i,j};

也就是说，数组元素允许是指针常量，却不允许是引用。C++语言机制如此规定，原因是避免C++语法变得过于晦涩。假如定义一个“引用的数组”，那么array[0]=8;这条语句该如何理解？是将数组元素array[0]本身的值变成8呢，还是将array[0]所引用的对象的值变成8呢?对于程序员来说，这种解释上的二义性对正确编程是一种严重的威胁，毕竟程序员在编写程序的时候，不可能每次使用数组时都要回过头去检查数组的原始定义。

补充：引用与数组之间的关系

• 引用可以作为数组元素的别名

• int a[3] = { 1, 2, 3 };
  int& b = a[0];
  b = 4;
  cout << a[0] << endl;
  

• 引用只有在分配内存的时候才必须初始化

• struct Test {
  	int& a;
  }
  cout << sizeof(Test) << endl; // 8
  Test test;
  cout << sizeof(test) << endl; // 报错
  

• 不能建立引用数组

• int a[3] = {1, 2, 3};
  int &b = a;