【C++】 5 引用的本质分析

一、引用的意义

引用作为变量别名的存在，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

函数中的引用形参不需要进行初始化

#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);
}

运行结果：
a=2,b=1

#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);
}

运行结果：
a=2,b=1

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

#include <stdio.h>
void Example()
{
    int a = 4;
    const int& b = a;
    int*p = (int*)&b;
    *p = 5;
    printf("a = %d,b = %d\n",a,b);
}
void Demo()
{
  const int& c = 1;
  int *p = (int*)&c;
  *p = 5;
  printf("c = %d\n",c);

}
int main()
{
    Example();
    Demo();
}

输出:

a=5;b=5;
c=5;

例：

#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&));
    printf("sizeof(rc) = %d\n", sizeof(rc));
    
    printf("sizeof(TRef) = %d\n", sizeof(TRef));
    printf("sizeof(ref.r) = %d\n", sizeof(ref.r));

    return 0;
}

输出：

sizeof(char&) = 1
sizeof(rc) = 1
sizeof(TRef) = 4
sizeof(ref.r) = 1

三、引用的本质

引用在C++中内部实现是一个指针常量

Type& name;
void f(int& a)
{
    a = 5;
}

等价于

Type* const name；
void f(int* const a)
{
    *a = 5;
}

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。

例：

#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;
}

输出：

sizeof(r) = 12
sizeof(r.before) = 4
sizeof(r.after) = 4
&r.before = 0xbfa3991c
&r.after = 0xbfa39924

四、引用的意义

C++中的引用在大多数情况下代替指针

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带来的内存错误

操作性：简单易用；

例：

#include <stdio.h>

int& demo()
{
    int d = 0;
    
    printf("demo: d = %d\n", d);
    
    return d;
}

int& func()
{
    static int s = 0;
    
    printf("func: s = %d\n", s);
    
    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;
}

输出：

demo: d = 0
func: s = 0

main: rd = 2527220
main: rs = 0

demo: d = 0
func: s = 11

main: rd = 2527220
main: rs = 11

rd 为野指针，禁止引用局部变量；
rs为静态存储区，存储在内部flash，所以引用分配内存空间；

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

引用可以尽可能的避开内存错误