C++引用的本质——另一种指针

标签：编译器   引用   指针   区别   c++   

本文不探讨罗列引用的概念，什么函数传参之类的，这些基础概念和用法很容易搜到～！

本文主要探讨引用和指针在C语言的下一层——即汇编或者确切的说是伪汇编（AT&T伪汇编都一样的代码，你指望下层x86汇编还能不一样么～）——的实现过程，来摸索一下他们的特点与本质。

首先，引用（Reference）在C中没有，是C++ 才有的概念～！ 要用g++编译器。

定义：引用就是某个目标变量的“别名”（alias）

在我看来，这个“目标变量”也要加上引号，看“目标变量”到底是怎么定义的了。如果“目标变量”由变量名和值组成，那引用应该是不包含“变量名”这部分的，说白了，觉得他就是一个“新变量”，只是他和原变量的“值”（即，目标地址，存储内容）是共用的。

实例测试：

用g++编译，gdb调试：

可以看到，让refa引用a的过程，其实就是提取地址（lea），并且占用了栈空间。和指针的实现是一模一样的。不管你“理论上”怎么说，至少在实现上（至少在linux的实现上），他就是指针。

可以看到，操作都是直接或者间接的对a的原地址0x10（%esp）进行操作，这个没什么问题。但是说引用不占地址是错误的，作为一个“指针”他至少占用4字节吧～！

这是代码后续的赋值操作：

Breakpoint 2, main () at ref2.cpp:13

13              a= 2;

1: x/i $pc

=> 0x804868d <main()+153>: movl   $0x2,0x10(%esp)

Breakpoint 3, main () at ref2.cpp:18

18              refa= 3;

1: x/i $pc

=> 0x8048705 <main()+273>: mov   0x14(%esp),%eax

(gdb) si

0x08048709     18              refa = 3;

1: x/i $pc

=> 0x8048709 <main()+277>: movl  $0x3,(%eax)

22              *ptra= 3;

1: x/i $pc

=> 0x804877f <main()+395>:  mov   0x18(%esp),%eax

(gdb) si

0x08048783     22              *ptra = 3;

1: x/i $pc

=> 0x8048783 <main()+399>: movl  $0x3,(%eax)

可以看到引用和指针，从定义到赋值，实现都是一样的。

另外，不同于指针，引用在声明的时候必须初始化，

但引用可能只能一次初始化而不能改变引用“目标”吗？

至少通过如下方法是不能的：

int a = 1;

int b = 2;

int &refa = a;

refa =  b;
这相当于赋值为b，即赋值为2，连a的值都会变成2.
&refa = &b;

也是不可能的，因为&refa不是左值。

refa = &b;

更不对了，因为这也相当于赋值，不过不是2了，是b的地址(打印成10进制，类似于-1075934160这种)，并且，需要强制转换：

refa = (int)&b;

说再多都是YY，实践出真知～！

围绕我的”引用即指针“的理念，再做一个摸索，既然认为引用是指针了，那么sizeof任何指针，包括double的，肯定都是4（我的32位机）。我定义一个double的引用，看看sizeof结果如何（右侧为输出结果）：

这个结果倒是没夸张到直接让ref变成pointer。sizeof(refd)还是按普通的double来算大小，而不是直接按指针来算的。但是也情有可原吧，都说了，虽然他的底层实现和指针一样，但是sizeof()需要的是返回类型，它的返回类型——即”操作级别“，还是比指针要低的。

最后：到底怎样理解引用更好？

首先，不太同意“引用就是一个别名，不占用内存空间“的说法，至少这句话可以再严谨点——”引用不为值再去开辟一个地址空间，但是其本身要占用空间～！“

奇了怪了，引用确实占用栈空间，也确实是存储了目标变量的地址～～～那既然有空间，就应该和指针一样，我改变你的值不就等于改变你的指向了么？

但是，因为它和指针不在同一个“操作级别”上，它的”值“又不是地址，也不能像指针那样改变他的指向。

（“操作级别”是通过存储内容来判定的，比如普通变量的存储内容是“值”，而指针的存储内容是“地址”，可以通过指针独特的“*”操作来判断这个“级别”）

个人倾向于认为引用本身就是一种指针，至于他又不能像指针一样进行重定向等操作，觉得这些完全是语言级别或者说编译器的刻意限制，只是一种规则，没有其他原因。

再次怀疑人生——编译器的本质如何？到底什么叫做编程语言？各层语言界限如何？从这么多的实践操作经验来总结，似乎也逐渐理解了些，如果再去看看《编译原理》，或许会有所收获。

本文不探讨罗列引用的概念，什么函数传参之类的，这些基础概念和用法很容易搜到～！

本文主要探讨引用和指针在C语言的下一层——即汇编或者确切的说是伪汇编（AT&T伪汇编都一样的代码，你指望下层x86汇编还能不一样么～）——的实现过程，来摸索一下他们的特点与本质。

首先，引用（Reference）在C中没有，是C++ 才有的概念～！ 要用g++编译器。

定义：引用就是某个目标变量的“别名”（alias）

在我看来，这个“目标变量”也要加上引号，看“目标变量”到底是怎么定义的了。如果“目标变量”由变量名和值组成，那引用应该是不包含“变量名”这部分的，说白了，觉得他就是一个“新变量”，只是他和原变量的“值”（即，目标地址，存储内容）是共用的。

实例测试：

用g++编译，gdb调试：

可以看到，让refa引用a的过程，其实就是提取地址（lea），并且占用了栈空间。和指针的实现是一模一样的。不管你“理论上”怎么说，至少在实现上（至少在linux的实现上），他就是指针。

可以看到，操作都是直接或者间接的对a的原地址0x10（%esp）进行操作，这个没什么问题。但是说引用不占地址是错误的，作为一个“指针”他至少占用4字节吧～！

这是代码后续的赋值操作：

Breakpoint 2, main () at ref2.cpp:13

13              a= 2;

1: x/i $pc

=> 0x804868d <main()+153>: movl   $0x2,0x10(%esp)

Breakpoint 3, main () at ref2.cpp:18

18              refa= 3;

1: x/i $pc

=> 0x8048705 <main()+273>: mov   0x14(%esp),%eax

(gdb) si

0x08048709     18              refa = 3;

1: x/i $pc

=> 0x8048709 <main()+277>: movl  $0x3,(%eax)

22              *ptra= 3;

1: x/i $pc

=> 0x804877f <main()+395>:  mov   0x18(%esp),%eax

(gdb) si

0x08048783     22              *ptra = 3;

1: x/i $pc

=> 0x8048783 <main()+399>: movl  $0x3,(%eax)

可以看到引用和指针，从定义到赋值，实现都是一样的。

另外，不同于指针，引用在声明的时候必须初始化，

但引用可能只能一次初始化而不能改变引用“目标”吗？

至少通过如下方法是不能的：

int a = 1;

int b = 2;

int &refa = a;

refa =  b;
这相当于赋值为b，即赋值为2，连a的值都会变成2.
&refa = &b;

也是不可能的，因为&refa不是左值。

refa = &b;

更不对了，因为这也相当于赋值，不过不是2了，是b的地址(打印成10进制，类似于-1075934160这种)，并且，需要强制转换：

refa = (int)&b;

围绕我的”引用即指针“的理念，再做一个摸索。既然认为引用是指针了，那么sizeof任何指针，包括double的，肯定都是4（我的32位机）。我定义一个double的引用，看看sizeof结果如何（右侧为输出结果）：

这个结果倒是没夸张到直接让ref变成pointer。sizeof(refd)还是按普通的double来算大小，而不是直接按指针来算的。但是也情有可原吧，都说了，虽然他的底层实现和指针一样，但是sizeof()需要的是返回类型，它的返回类型——即”操作级别“，还是比指针要低的，和普通的变量相仿。

最后：到底怎样理解引用更好？

首先，不太同意“引用就是一个别名，不占用内存空间“的说法，至少这句话可以再严谨点——”引用不为值再去开辟一个地址空间，但是其本身要占用空间～！“

奇了怪了，引用确实占用栈空间，也确实是存储了目标变量的地址～～～那既然有空间，就应该和指针一样，我改变你的值不就等于改变你的指向了么？

但是，因为它和指针不在同一个“操作级别”上，它的”值“又不是地址，也不能像指针那样改变他的指向。

（“操作级别”是通过存储内容来判定的，比如普通变量的存储内容是“值”，而指针的存储内容是“地址”，可以通过指针独特的“*”操作来判断这个“级别”）

个人倾向于认为引用本身就是一种指针，至于他又不能像指针一样进行重定向等操作，觉得这些完全是语言级别或者说编译器的刻意限制，只是一种规则，没有其他原因。

再次怀疑人生——反正翻译成下层的东西，都是那点破事，转换成最后就是一些地址一些寄存器，你能找到地址你就能改（不能改的话，又是哪层编译器或者汇编器限制你的呢？）～！那么，编译器的本质如何？到底什么叫做编程语言？各层语言界限如何？从这么多的实践操作经验来总结，似乎也逐渐理解了些，如果此时再去看看《编译原理》，或许会有所收获。

完～！

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OTHER：

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写的是关于引用的，但是通过用gdb调试，个人还是有其他方面的收获：

例如，AT&T汇编中括号的含义，目测带括号是取地址，不带括号是原寄存器，好像和之前《计算机组成原理》的伪指令规则差不多。

对比：

存入数值到eax寄存器——用%eax。

存入数值到eax寄存器所储存的内存地址处——用（%eax）。

esp的操作同样如此：比如0x18(%esp)应该是从esp取出内存地址，再加上0x18偏移量。

还有，之前看linux的伪汇编，esp一般都是不变的，变的是偏移值，使用类似于0x1c(%esp)的形式进行操作。

每次编译运行，esp起始都是230结尾的（系统决定，具体：0xbffff230），但是通过本例观察，说esp不变是不准确的，执行系统调用，涉及各种库的时候，一直在变：从230到22c、228、224。。。等于栈下移了？在同一函数内不移，切换了才移？

也许试试嵌套个函数什么的也会有发现～

关于栈指针怎么跳转，甚至发生函数跳转时十几个寄存器到底保存上下文需要几个，而这几个压栈又是怎么压的，有一个规则，按顺序压，按倒序取？这又是另外一篇日志要探索的事情了。

其他未完成作业：

看看const的实现又是怎样的，是否有什么特殊的方法规定”只读“，比如转存寄存器之类的。

使用指针作为函数的参数虽然也能达到与使用引用的效果，但是，在被调函数中同样要给形参分配存储单元，且需要重复使用"*指针变量名"的形式进行运算，这很容易产生错误且程序的阅读性较差；另一方面，在主调函数的调用点处，必须用变量的地址作为实参。而引用更容易使用，更清晰。

（待验证）

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C++引用的本质——另一种指针

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原文地址：http://blog.csdn.net/huqinwei987/article/details/24874403