C++引用的意義與引用的本質

1、引用的意義

引用作為變數別名而存在，因此在一些場合可以替代指針，引用相對於指針來說具有更好的可讀性和實用性

// 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：

函數中的引用形參不需要進行初始化，初始化是在呼叫的時候完成的

2、特殊的引用

const引用

在C 中可以宣告const引用，具體用法如下：

const Type& name = var;

const引用讓變數擁有唯讀屬性，這個只讀屬性是針對當前的這個別名，變數是可以透過其它方式進行修改

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);

當使用常數對const引用進行初始化時，C 編譯器會為常數值分配空間，並將引用名稱作為這段空間的別名

#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：

使用常數對const引用初始化後將產生一個只讀變數

問題：引用有自己的儲存空間嗎？

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

驗證程式：

#include <stdio.h>

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

int main(int argc, char *argv[])
{ 
    char c = &#39;c&#39;;
    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、引用的本質

#引用在C 中的內部實作是一個指標常數

#注意：

1、C 編譯器在編譯過程中以指標常數作為引用的內部實現，因此引用所佔用的空間大小於指標相同

2 、從使用的角度，引用只是一個別名，C 為了使用性而隱藏了引用的儲存空間這一細節。

#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 = &#39;a&#39;;
    char& b = a;
    char c = &#39;c&#39;;

    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;
}

引用的意義：

C 中的引用旨在大多數的情況下替代指標

• 功能性：可以滿足多數需要使用指標的場合

• 安全性：可以避開因指標操作不當帶來的記憶體錯誤

• ## 操作性：簡單易用，又不失功能強大

但是

引用可以避免在大多數情況下記憶體的錯誤，函數傳回局部變數的引用，就沒辦法避免了

#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、小結

#引用作為變數別名而存在旨在取代指標

const引用可以使得變數具有唯讀屬性

引用在編譯器內部使用指標常數實作

引用的最終本質為指標

引用可以盡可能避開記憶體錯誤

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