C++引用详解：从概念到本质-优快云博客

本文介绍了C++中的引用机制，包括引用的概念、意义、const引用、引用的本质以及在函数返回和三目运算符中的应用。引用作为变量的别名，增强了代码的可读性和实用性，其本质是一个指针常量，但不能直接获取引用自身的存储空间地址。

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#include <stdio.h>

void swap_q(int& a, int& b)
{
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

void swap_p(int *pa, int *pb)
{
    int temp = *pa;
    *pa = *pb;
    *pb = temp;
}


int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 4;
    int b = 5;

    swap_q(a, b);
    printf("a = %d\n", a);
    printf("b = %d\n", b);

    printf("******************************\n");

    swap_p(&a, &b);
    printf("a = %d\n", a);
    printf("b = %d\n", b);

    return 0;
}

Tip:
引用作为函数参数声明时可不进行初始化。

4、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

示例：

exp-3.cpp

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 4;
    const int& b = a;
    int* p = (int*)&b;

    //b = 5; //这里编译器会报错，不能修改只读变量的值

    *p = 5; //这里成功修改了变量a的值

    printf("a = %d\n", a);
    printf("b = %d\n", b);

    return 0;
}

运行结果：

这里写图片描述

Tip:
从运行结果来看，指向变量a的指针还是能成功的改变a的值，所以，此时只是无法通过常量引用b来修改a的值！

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

示例：

exp-4.cpp

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    const int& b = 1;       //编译器会为其分配存储空间
    int* p = (int*)&b;

    //b = 5;    //这里会报错，因为常量引用为只读

    *p = 5;     //还是可以通过指针来更改其值

    printf("b = %d\n", b);

    return 0;
}

Tip:
使用常量对const引用初始化后将生成一个只读变量。

经典问题：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int y = 10;
    const int z = y; //试图用一个变量给一个常量赋值，来定义一个常量，但是这样做，z真的是一个常量么？
//验证方法：
    //取z的地址，让编译器为它分配空间，然后把它的地址强制去掉底层const属性，通过指针向其地址空间赋值，最后看z的输出值是否改变，如果改变说名不是常量，是只读变量！

    int *p = const_cast<int*>(&z);
    *p = 7;

    printf("z = %d\n", z);
    printf("*p = %d\n", *p);

    return 0;
}

运行结果：

这里写图片描述

从运行结果来看，上面的z是一个只读变量，而非常量！

#include <stdio.h>

int main()
{
    char c = 'c';
    char& rc = c;
    const int& trc = c; //用一个变量给一个常引用赋值
    //已经知道，如果 const int& i = 1; 编译器会为它分配存储空间，从而生成一个只读变量
    //而这里也是一样的，trc最终会是一个只读变量

    rc = 'a';

    printf("c = %c\n", c);
    printf("rc = %c\n", rc);
    printf("trc = %c\n", trc);

    return 0;
}

运行结果：

这里写图片描述

5、引用的本质

思考：

引用有自己的存储空间吗？

测试：

exp-5.cpp

#include <stdio.h>

struct TRef
{
    int& a;
    int& b;
};

int main(int argc, char *argv[])
{

    printf("sizeof(TRef) = %ld\n", sizeof(TRef));

    return 0;
}

运行结果：

这里写图片描述

Tip:
从上面的结果可知，引用是有存储空间的，那么这又是为什么呢？

- 引用在C++中的内部实现是一个指针常量
- Type& name <==> Type* const name

Improtance：

C++编译器在编译过程中使用常指针作为引用的内部实现，因此引用所占用的空间大小与指针相同。
从使用的角度，引用会让人误会其只是一个别名，没有自己的存储空间，这是C++为了实用性而做出的细节隐藏。

思考：
既然引用变量有自己的存储空间，如何获得它的该空间的地址？

解答：
无法通过“&”取地址符，获得“引用变量”自身的存储空间的地址，通过“&”取地址符得到的是它的目标变量的地址，引用机制在一开始设计时，就没打算让我们操作它本身，对它的所有操作都反应在目标变量上；而且，引用机制很容易被编译器优化，优化后，原来访问引用变量的代码编译成的机器代码，实际上是直接访问原变量，这样的话，编译器甚至可以不为引用变量分配空间，全部直接访问它所引用的原变量。

举例：

exp-6.cpp

#include <stdio.h>

struct TRef
{
    int& a;
    int& b;
    int& c;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = 3;
    TRef rA = {a, b, c};


    printf("&a = %p\n", &a);
    printf("&rA.a = %p\n", &rA.a);

    printf("&b = %p\n", &b);
    printf("&rA.b = %p\n", &rA.b);

    printf("&c = %p\n", &c);
    printf("&rA.c = %p\n", &rA.c);

    printf("&rA = %p\n", &rA);
    printf("sizeof(TRef) = %ld\n", sizeof(rA));

    return 0;
}

运行结果：

这里写图片描述

Tip:
可见，对引用变量取地址，实际上得到的是其目标变量的地址！

6、函数返回引用

若返回栈变量
- 不能成为其它引用的初始值
- 不能作为左值使用
若返回静态变量或全局变量
- 可以成为其他引用的初始值
- 即可作为右值使用，也可作为左值使用

示例：

exp-7.cpp

#include <stdio.h>

int& f()
{
    static int a = 0;   //静态局部变量，函数退出后不释放

    return a;
}

int& g()
{
    int a = 0;      //局部变量，函数退出后释放

    return a;
}

int main()
{
    int a = g();
    int& b = g();

    f() = 10;   //C中编译不过，
                //C++中f函数返回的引用可作为左值使用，这一点类似于三目运算符

    printf("a = %d\n", a);
    printf("b = %d\n", b);
    printf("f() = %d\n", f());

    return 0;
}

运行结果：

这里写图片描述

Tip:
首先，g函数执行后，将局部变量的引用返回并赋值给了变量a，所以a的值为0；然后，g函数执行后，将局部变量赋值给一个引用变量b，然后由于g函数执行完毕，系统释放了调用g函数时的栈空间，导致b此时成为了一个未知内存块的引用，所以访问它得到的是随机值；最后，f函数执行后将它的静态局部变量的引用返回，然后作为左值给它赋值，所以值为10。