C++引用的本質

一、引用的意義

引用做爲變量別名而存在，所以在一些場合能夠替代指針，引用相對於指針來講具備更好的可讀性和實用性

// swap函數的實現對比
void swap(int& a, int& b)
{
    int t = a;
    a = b;
    b = t;
}

void swap(int* a, int* b)
{
    int t = *a;
    *a = *b;
    *b = t;
}

注意：

函數中的引用形參不須要進行初始化，初始化是在調用的時候完成的

二、特殊的引用

const引用

在C++中能夠聲明const引用，具體用法以下：

const Type& name = var;

const引用讓變量擁有隻讀屬性，這個只讀屬性是針對當前的這個別名，變量是能夠經過其它方式進行修改

int a = 4;              // a是一個變量
const int  & b = a;     // b是a的一個引用，可是b具備只讀屬性
int * p = (int *)&b;    // p = &a
b = 5;     // err, 引用b 被const修飾，b是一個只讀變量
a = 6;     // ok
printf("a = %d\n", a);
*p = 5;    // ok
printf("a = %d\n", a);

當使用常量對const引用進行初始化時，C++編譯器會爲常量值分配空間，並將引用名做爲這段空間的別名

#include <stdio.h>
void Example()
{
    printf("Example:\n");  
    int a = 4;
    const int& b = a;
    int* p = (int*)&b;  
    //b = 5;    // b  
    *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;
}

結論：

使用常量對const引用初始化後將產生一個只讀變量

問題：引用有本身的存儲空間嗎？

struct TRef
{
    char& r;
}
printf("sizeof(TRef) = %d\n, sizeof(TRef));

驗證程序：

#include <stdio.h>

struct TRef
{
    char& r;        // 字符類型引用
};

int main(int argc, char *argv[])
{ 
    char c = 'c';
    char & rc = c;
    TRef ref = { c }; // 用C進行初始化, TRef.r 就是 c的別名了
    
    printf("sizeof(char&) = %d\n", sizeof(char&));     // char引用的大小，引用即變量自己，求所對應的變量自己的大小，即sizeof(char) = 1
    printf("sizeof(rc) = %d\n", sizeof(rc));        // rc是一個引用，即sizeof(c) = 1
    
    printf("sizeof(TRef) = %d\n", sizeof(TRef));    // sizeof(TRef) = 4
    printf("sizeof(ref.r) = %d\n", sizeof(ref.r));  // TRef.r是 c的別名，sizeof(c) = 1

    // sizeof(TRef) = 4
    // 指針變量自己也是佔4個字節
    // 引用和指針的關係
    
    return 0;
}

三、引用的本質

引用在C++中的內部實現是一個 指針常量

注意：

一、C++編譯器在編譯過程當中用 指針常量 做爲引用的內部實現，所以引用所佔用的空間大小於指針相同

二、從使用的角度，引用只是一個別名，C++爲了使用性而隱藏了引用的存儲空間這一細節。

#include <stdio.h>

struct TRef
{
    char* before;     // 4字節
    char& ref;        // 4字節
    char* after;    // 4字節
};

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));    // sizeof(r) = 12
    printf("sizeof(r.before) = %d\n", sizeof(r.before)); // sizeof(r.before) = 4
    printf("sizeof(r.after) = %d\n", sizeof(r.after));   // sizeof(r.after) = 4
    printf("&r.before = %p\n", &r.before);    // &r.before = 0xbuf8a300c
    printf("&r.after = %p\n", &r.after);    // &r.after  = 0xbuf8a3014

    /*
     0xbuf8a3014 - 0xbuf8a300c = 8
     before佔了4個字節，因此ref也是佔4個字節
    */
    return 0;
}

引用的意義：

C++中的引用旨在大多數的狀況下替代指針

• 功能性：能夠知足多數須要使用指針的場合
• 安全性：能夠避開因爲指針操做不當帶來的內存錯誤
• 操做性：簡單易用，又不失功能強大

可是

引用能夠在大多數狀況下避免內存的錯誤，函數返回局部變量的引用，就無法避免了

#include <stdio.h>

int& demo()
{
    int d = 0;
    
    printf("demo: d = %d\n", d);
    
    return d;    // 其實是返回了局部變量的地址，局部變量函數結束就銷燬了，返回錯誤
}

int& func()
{
    static int s = 0;
    
    printf("func: s = %d\n", s);
    
    return s;    // 返回靜態局部變量的地址，靜態局部變量存儲在全局區，函數結束生命週期還在，返回成功
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    int& rd = demo();    // rd 成爲demo裏面返回的局部變量d的別名，出現警告，可是經過編譯
    int& rs = func();    // rs 成爲靜態局部變量 s 的別名
    
    printf("\n");
    printf("main: rd = %d\n", rd);    // rd = 13209588,rd表明的是一個不存在的變量，如今是一個野指針
    printf("main: rs = %d\n", rs);    // rs = 0
    printf("\n");
    
    rd = 10;
    rs = 11;        // 經過rs改變了靜態局部變量s的值
    
    demo();            // d = 10
    func();            // s = 11
    
    printf("\n");
    printf("main: rd = %d\n", rd);    // rd = 13209588
    printf("main: rs = %d\n", rs);    // rs = 11
    printf("\n");
    
    return 0;
}

四、小結

引用做爲變量別名而存在旨在代替指針

const引用可使得變量具備只讀屬性

引用在編譯器內部使用指針常量實現

引用的最終本質爲指針

引用能夠儘量地避開內存錯誤