引用与指针

可以先一下优快云上的文章和讨论： http://www.youkuaiyun.com/article/2012-03-26/313540

注意文章和讨论中提到的“更好的别名机制”

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引用是什么：

从语义上理解，  引用即别名。

引用是某个目标变量的“别名”(alias)，它和被引用的变量共享数据的内存单元，对引用的操作与对变量直接操作效果相同。

C++引入引用，能够给编译器带来更大的优化空间，能够提高参数传递的效率。

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引用是怎么实现的：

C++的标准中只规定了引用的语义，并没有规定其实现方式。

而正如我们编程实践中所看到的， 很多时候引用是通过指针实现的。

反汇编（没有优化）：

                int aa=1;

00A12E1E  mov         dword ptr [aa],1     //一条指令搞定赋值，[aa]为aa的地址

                int &bb = aa;                

00A12E25  lea         eax,[aa]                           // 将aa的地址读取到eax中

00A12E28  mov         dword ptr [bb],eax     //将其地址存放到内存单元 [bb]，可以认为，该单元就是指向aa的常指针

                bb=2;                                       //需要两条指令

00A12E2B  mov         eax,dword ptr [bb]   //后面对bb的操作转换为对 [bb]处所存地址单元的操作

00A12E2E  mov         dword ptr [eax],2     //所有&bb可以看作指针！！！！！这是本质！！！

                int  pp;

                pp  = int(&aa);

00A12E34  lea         eax,[aa]           // int &bb = aa;执行的操作与这里是一样的，只不过对我们隐蔽了[bb]内存单元

00A12E37  mov         dword ptr [pp],eax 

                pp = int (&bb);

00A12E3A  mov         eax,dword ptr [bb]   //这里对aa和bb取地址操作也是有差别的

00A12E3D  mov         dword ptr [pp],eax   //上面一条需要使用mov指令到[bb]读取aa的地址，而不是直接使用lea指令

引用与原变量的比较：

                c = aa;

00F32E40  mov         eax,dword ptr [aa] 

00F32E43  mov         dword ptr [c],eax 

                c = bb;

00F32E46  mov         eax,dword ptr [bb]    //这里需要两句，先取地址

00F32E49  mov         ecx,dword ptr [eax]    //再取内容  

00F32E4B  mov         dword ptr [c],ecx 

引用与指针的比较：

                bb=2; 

009F144B  mov         eax,dword ptr [bb] 

009F144E  mov         dword ptr [eax],2 

                *pp = 3;

009F145A  mov         eax,dword ptr [pp] 

009F145D  mov         dword ptr [eax],3  

上面的情况： 引用在实现上是一个隐藏的常量指针，但是具体实现不用编程者干预什么，而实际的操作是传递了指针,在进行访问时进行了转换。

这种情况下：

1）引用变量在32位系统下占用了4个字节，用来保存被引用对象的地址

2）访问引用变量时，需要先取得被引用对象的地址，然后再进行相关的操作（与原来相比，所用的指令也可能不一样了）

3）这种情况下，引用占用空间，存取速度参考指针操作

正如前面所说，c++没有规定引用的底层实现，编译器实现时，可以为引用分配空间，也可以不分配空间；

然而引用并不总是即用即丢的，因而经常还是需要保存所引用对象的地址。

上面是没有优化的情况，然而与指针相比，如下面的情况，引用是可以优化的，而指针不可以。

int aa = 1;

int* pp = &aa;

*pp  = 2;

由于“&”操作的存在，导致必须在栈上为aa分配内存，并将内存地址赋予pp；

int aa=1;

int &bb = aa;                

bb=2; 

而这段代码中，仅仅是为了通过某种方式访问到aa这个变量，完全不关心其内存地址，

没有取地址操作，编译器可以对这段代码更好地优化，甚至可以不给该变量申请地址，从头到尾将其放在某个寄存器中，直接对寄存器读写。

另外对于如下函数

int add(int* a,int* b){...};

int a,b;

add(&a,&b);

无论编译器决策process函数是否inline，都会认为对变量a和b必须进行取地址的操作；

而如果是引用的话，遇到inline add函数的情况，编译器可以判断出只需要处理a和b，而不在乎a和b的地址。

总结：对于编译器来说，使用引用有机会带来更大的优化空间，编程者不必去假设编译器如何去优化变量的，也不必过多去考虑引用如何实现的。

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引用的用途：

最重要的用途就是用作函数形参，别名的需要，往往是为了传递参数（形参与临时变量）。

先看一段汇编：

int  add( int  &a,  int  * const  p);

b = add(a,p);     //函数调用

000F2E92  mov         eax,dword ptr [p] 

000F2E95  push        eax 

000F2E96  lea         ecx,[a] 

000F2E99  push        ecx 

函数调用时，实参从右到左入栈（_cdecl方式），关键是引用与指针的区别：

对于引用，入栈的是变量的地址；

对于指针，入栈的是指针变量的值（某变量的地址）；

这是一个本质的区别， 作形参时：引用属于“传地址”的一种参数传递方式，而指针却是属于的一种方式。

虽然它们能够用来实现相似的功能，但在C++里，引用是受推荐的，

因为 它能够确保传入的地址确实是参数声明类型(或与之兼容类型)的对象的地址，

相反，指针虽然灵活性较强，但 安全性却很差，它不能确保传入地址的合法性(实参只要是地址)，如上面的例子，可以改成

double  *q;

b = add(a,(  int *)q);

编译期间不会报错，然而在执行阶段却会产生不可预料的结构。

另外还有一个重要约束就是，传递引用类型实参时必须是变量，而不能使表达式！

而使用指针的话，写成：

add(a,p+1);  //传递过程修改

也不会报错！区别！

上面 int  *  const   形参的const其实毫无意义 。

地址值的拷贝可能在保存、传递的过程中被无意被篡改或者由于该地址失效（例如该地址指向的临时对象被释放）而引发灾难，糟糕的是编译程序无法对此提供有效的检测手段，但编译程序对于引用对象的合法性则能够进行有效的检测，以确保引用参数对应的实参是合法的。

总结：

指针和引用都是传递参数的有效形式，特别是在传递较大的结构时，能够避免复制操作；

两者作形参的区别在于，指针属于 “传拷贝”，而引用属于 “传地址”的方式；

推荐使用引用的原因在于，引用 够确保传入的地址确实是参数声明类型(或与之兼容类型)的对象的地址，相比于指针，更为安全；

使用引用程序更清晰，代码可读性更好。

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const引用：

想使用传地址方式，而不修改信息，使用常引用 

double  cube( const  double  &a);

如果代码修改了变量a的值， 编译及时地检查与生成错误信息。

如果 实参与引用参数不匹配，C++将产生临时变量。现在， 当且仅当参数为const引用时，C++才允许这样做，但这是一种新的限制（具体要看编译器有没有这种限制了，违反时有的编译器可能只发出警告）。（“C++ Primer Plus” P231）

例子如下：

int  add( int  &a)

{

                  return  a+1;

}

int  b;

b = add(a+1);  //人为修改，将出现编译错误，而指针不会，

将函数原型修改为：

int  add( const  int  &a)

则编译可以通过。

原因是引用参数是const时，如果是实参的类型正确，但不是左值（是字面常量或包含多项的表达式），

那么编译器将创建临时匿名变量，函数体内的引用a指向该变量。

因此，应尽可能使用const：

1）可以避免无意中修改数据的编程错误

2）const使函数能够处理const和非const实参，否则只能接受非const数据

3）const引用使函数能正确地生成并使用临时变量

何时使用引用参数：“C++ Primer Plus” P240

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使用引用要注意什么：

引用必须在定义时进行初始化；

初始化后不能再把该引用名作为其他变量的别名；

不能建立数组的引用；

不能返回局部变量的引用，指针也一样，（注意局部变量的内存分配）；

也不要返回函数内部new分配的内存的引用，如果被返回的引用只是作为一个临时变量出现，容易造成内存泄露（参考“Effective C++[1]” Item 31）；

对于流操作符<<和>>等运算符重载，为了能够进行连续操作，推荐函数返回值为引用；

对于赋值操作=，返回值必须是一个左值，以便可以被继续赋值(x=10)=100;引用成了惟一返回值选择。

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补充：

若与普通指针比较： int  *i; int  &j=a;

i的左值是它所在的地址单元，i的右值是它所代表的地址值；j的左值是它所代表的对象，j的右值是它所代表的对象的值.

从这里可以解释为什么引用初始化后就不能改变了：

定义j后，开辟一个内存单元用于存放a的地址，j的左值为该内存单元的值，而右值为该内存单元存放的地址处存放的值；

而没有途径改变该内存单元用于存放其他变量的地址。

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常见面试题：

1）指针和引用的区别：

2）在什么时候需要使用“常引用”？　

如果既要利用引用提高程序的效率，又要保护传递给函数的数据不在函数中被改变，就应使用常引用。

3）分析代码：

string foo( );

void bar(string & s); 

bar(foo( ));

bar("hello world"); 

第三行和第四行的操作是非法的。

原因在于foo( )和"hello world"串都会产生一个临时对象，而在C++中，这些临时对象都是const类型的。

因此上面的表达式就是试图将一个const类型的对象转换为非const类型，这是非法的。

4）“引用”与多态的关系？

引用是除指针外另一个可以产生多态效果的手段。这意味着，一个基类的引用可以指向它的派生类实例。

Class A; 

Class B : Class A{...};  

B b; 

A& ref = b;