C++ 引用底层解析

1. 引用的底层原理解析

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。

引用地址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：

• 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。
• 在底层，引用变量由指针按照指针常量的方式实现。
• 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。
• 存在多级指针，但不存在多级引用。

2. 引用与数组间的关系

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;