C++引用的本质

1、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替代指针，引用相对于指针来说具有更好的可读性和实用性

// swap函数的实现对比
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：

函数中的引用形参不需要进行初始化，初始化是在调用的时候完成的

2、特殊的引用

const引用

在C++中可以声明const引用，具体用法如下：

const Type& name = var;

const引用让变量拥有只读属性，这个只读属性是针对当前的这个别名，变量是可以通过其它方式进行修改

int a = 4;              // a是一个变量
const int  & b = a;     // b是a的一个引用，但是b具有只读属性
int * p = (int *)&b;    // p = &a
b = 5;      // err, 引用b 被const修饰，b是一个只读变量
a = 6;      // ok
printf("a = %d\n", a);
*p = 5;     // ok
printf("a = %d\n", a);

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

#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;
}

结论：

使用常量对const引用初始化后将产生一个只读变量

问题：引用有自己的存储空间吗？

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

验证程序：

#include <stdio.h>

struct TRef
{
    char& r;        // 字符类型引用
};

int main(int argc, char *argv[])
{ 
    char c = 'c';
    char & rc = c;
    TRef ref = { c }; // 用C进行初始化, TRef.r 就是 c的别名了
    
    printf("sizeof(char&) = %d\n", sizeof(char&));   // char引用的大小，引用即变量本身，求所对应的变量本身的大小，即sizeof(char) = 1
    printf("sizeof(rc) = %d\n", sizeof(rc));        // rc是一个引用，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的别名，sizeof(c) = 1

    // sizeof(TRef) = 4
    // 指针变量本身也是占4个字节
    // 引用和指针的关系
    
    return 0;
}

3、引用的本质

引用在C++中的内部实现是一个指针常量

注意：

1、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于指针相同

2、从使用的角度，引用只是一个别名，C++为了使用性而隐藏了引用的存储空间这一细节。

#include <stdio.h>

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

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占了4个字节，所以ref也是占4个字节
    */
    return 0;
}

引用的意义：

C++中的引用旨在大多数的情况下替代指针

• 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带来的内存错误
• 操作性：简单易用，又不失功能强大

但是

引用可以在大多数情况下避免内存的错误，函数返回局部变量的引用，就没法避免了

#include <stdio.h>

int& demo()
{
    int d = 0;
    
    printf("demo: d = %d\n", d);
    
    return d;   // 实际上是返回了局部变量的地址，局部变量函数结束就销毁了，返回错误
}

int& func()
{
    static int s = 0;
    
    printf("func: s = %d\n", s);
    
    return s;   // 返回静态局部变量的地址，静态局部变量存储在全局区，函数结束生命周期还在，返回成功
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    int& rd = demo();   // rd 成为demo里面返回的局部变量d的别名，出现警告，但是通过编译
    int& rs = func();   // rs 成为静态局部变量 s 的别名
    
    printf("\n");
    printf("main: rd = %d\n", rd);  // rd = 13209588,rd代表的是一个不存在的变量，现在是一个野指针
    printf("main: rs = %d\n", rs);  // rs = 0
    printf("\n");
    
    rd = 10;
    rs = 11;        // 通过rs改变了静态局部变量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;
}

4、小结

引用作为变量别名而存在旨在代替指针

const引用可以使得变量具有只读属性

引用在编译器内部使用指针常量实现

引用的最终本质为指针

引用可以尽可能地避开内存错误