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C++深入探究引用的本質與意義_C 語言

作者：清風自在?流水潺潺 ? 更新時間： 2022-06-19 編程語言

一、引用的意義

  • 引用作為變量別名而存在，因此在一些場合可以代替指針
  • 引用相對于指針來說具有更好的可讀性和實用性

下面通過代碼來進行說明，在C語言中，可以這么寫：

#include <stdio.h>
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;
}

下面為輸出結果，可以看到a,b被交換。

若采用C++用的引用，則采用下面的代碼：

#include <stdio.h>
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;
}

下面為輸出結果，需要注意的是，引用作為函數的形參時，不需要進行初始化，初始化發生在函數調用的時候（形參一旦被初始化后，就代表兩個具體的外部變量）。

二、特殊的引用

const 引用

  • 在C++中可以聲明const 引用
  • const Type& name = var ;
  • const 引用讓變量擁有只讀屬性
  • 當使用常量對const引用進行初始化時，C++編譯器會為常量值分配空間，并將引用名作為這段空間的別名

所以上面那段代碼，b = 5 是不正確的，因為 b 已經是只讀變量了，但是依舊可以通過指針改變這個只讀變量的值。

結論：使用常量對const 引用初始化后將生成一個只讀變量

下面看一段代碼，加深理解：

#include <stdio.h>
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;
}

下面為輸出結果：

如果把那兩行（b = 5，c = 5）取消注釋，則就會輸出下面結果，編譯器會報 b 和 c 都是只讀變量的錯誤。

三、引用是否占用存儲空間

下面看一段代碼：

#include <stdio.h>
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類型占用一個字節 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;
}

下面為輸出結果，可以看到sizeof(TRef)占用的內存空間為4，我們知道指針占用的內存空間為4，那么指針和引用到底有什么關系呢？第4節來分析。

四、引用的本質

引用在C++中的內部實現是一個指針常量

注意：

  • C++編譯器在編譯過程中用指針常量作為引用的內部實現，因此引用所占用的空間大小與指針相同。
  • 從使用的角度，引用只是一個別名，C++為了實用性而隱藏了引用的存儲空間這一細節。

通過下面的代碼，也可以很好的理解引用所占的字節數：

#include <stdio.h>
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;
}

下面為輸出結果，可以看到結構體占用12個字節，before 和 after 指針各占用4個字節，所以 ref 引用當然也占用4個字節，通過 after 的起始內存地址減上 before 的起始內存地址得8，而 before 指針占用4個字節，從這個層面也能知道 ref 引用占用4個字節。

為了深入理解引用的本質，可以在 Visual Studio 2012 中進行反匯編，如下圖，現在return 0那里打個斷點，然后點擊本地 Windows 調試器，開始執行代碼。

執行完代碼后，鼠標右擊空白區域，選擇轉到反匯編。

下面看一下反匯編的部分代碼，主要看引用那部分的匯編代碼，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 所對應的4個內存空間里面去。可以這么說，引用的內部實現就是指針，所以引用占用內存空間，且占用內存空間大小和指針一樣。

五、引用的注意事項

C++中的引用旨在大多數的情況下代替指針

  • 功能性：可以滿足多數需要使用指針的場合
  • 安全性∶可以避開由于指針操作不當而帶來的內存錯誤
  • 操作性∶簡單易用，又不失功能強大

下面通過一個函數返回引用，介紹一下引用的注意事項。

#include <stdio.h>
int& demo()    //從內部實現來看，想返回一個指針 int* const
{
    int d = 0;
    printf("demo: d = %d\n", d);
    return d; //本質上，相當于 return &d
}
int& func()
{
    static int s = 0;
    printf("func: s = %d\n", s);
    return s;    //本質上，相當于 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;
}

下面為輸出結果，可以看到編譯的時候開始發出警告說不能返回局部變量，如果繼續運行，可以看到 rd = 9658356，rd 為 d 的別名，按理說應該輸出 0 的，為什么輸出9658356 呢？這個因為 rd 所代表的的變量在 demo 函數調用返回的時候被摧毀了，其所代表的是一個不存在的變量，所以 rd 沒有意義了。

引用中必須遵守的規則：不要返回局部變量的引用。 如果局部變量是靜態的，則可以。因為靜態局部變量的存儲區是全局的存儲區，所以它的空間不會因為函數的返回而被摧毀。

六、小結

  • 引用作為變量別名而存在旨在代替指針
  • const 引用可以使得變量具有只讀屬性
  • 引用在編譯器內部使用指針常量實現
  • 引用的最終本質為指針
  • 引用可以盡可能的避開內存錯誤

原文鏈接：https://blog.csdn.net/weixin_43129713/article/details/120925975

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