C++深度解析 引用的本质分析 &(4)

本文深入解析C++中引用的本质,探讨其如何替代指针,const引用的特性,以及引用的内部实现机制。通过实例,展示引用在函数参数、返回值及存储空间上的应用,强调其在避免内存错误方面的优势。

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C++深度解析 引用的本质分析(4)

 

 

 

引用

是另一个变量的别名(或者是一个已经存在存储空间的别名)。

引用在一些场合可以代替指针

当引用作为函数的形参时,可以不初始化。

实例程序:

#include <stdio.h>

void swap(int& a, int& b)
{
    int t = a;
    a = b;
    b = t;
}

int main()
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    
    swap(a, b);
    
    printf("a = %d, b = %d\n", a, b);   
    
    return 0;
}

结果如下:

 

 

 

特殊的引用:const 引用

声明:const Type& name = var;

用法:const Type& name <<-----等价于------>> Type* const name;(const int& name   ==  int* const name)

const引用让变量拥有只读属性

当使用常量(字面常量)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

使用常量const引用初始化后将生成一个只读变量

实例程序:

(下列使得变量拥有只读属性)

#include <stdio.h>

void Example()
{
    printf("Example:\n");
    
    int a = 4;
    const int& b = a;   //b就是a变量的别名,操作b就等于操作a
    int *p = (int *)&b; //指针p指向a的地址
    
    //b = 5; //错误,引用b使得a变为只读变量

    *p = 5; //可以的
    
    printf("a = %d\n", a);
    printf("b = %d\n", b);
}

void Demo()
{
    printf("Demo:\n");
    
    //初始化引用为1,这样子就得到只读变量c,分配了4个字节的空间,初始化为1,c就是这4个字节空间的别名
    const int& c = 1;      //int temp = 1, const int& c = temp
    int *p = (int *)&c;   
    
    //c = 5; //c是只读
    
    *p = 5; //将4个字节的空间改为5
    
    printf("c = %d\n", c);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    Example();
    
    printf("\n");
    
    Demo();
    
    return 0;
}

结果如下:

 

 

 

引用有自己的存储空间

注意:

C++编译器在编译过程中,用指针常量作为引用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,引用只是一个别名,C++为了实用性而隐藏了引用的存储空间这一细节

示例程序:

#include <stdio.h>

struct TRef
{
    char& r;
};

int main(int argc, char *agrv[])
{
    char c = 'c';
    char& rc = c;
    TRef ref = { c };
    
    printf("sizeof(char&) = %d\n", sizeof(char&)); //1
    printf("sizeof(rc) = %d\n", sizeof(rc)); //sizeof(c) => 1
    
    printf("sizeof(TRef) = %d\n", sizeof(TRef)); //4
    printf("sizeof(ref.r) = %d\n", sizeof(ref.r)); //sizeof(c) => 1
}

结果如下:

分析:

TRef结构体大小为4。引用的本质是指针常量,Type&  =  Type* const。所以上述示例中,char& r = char *const r(内部实现的),所以sizeof(TRef) = 4,指针占用4字节的空间。

 

 

 

引用的存储空间

在C++编译器内部,用指针来实现引用的。引用是要占用空间的。

示例程序一:

#include <stdio.h>

struct TRef
{
    char* before; //4个字节  起始地址:0xbfcbc71c
    char& ref;    //占用4个字节     0xbfcbc724 - 0xbfcbc71c = 8
    char* after; //4个字节  起始地址:0xbfcbc724
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    char a = 'a';
    char& b = a;
    char c = 'c';
    
    TRef r = {&a, b, &c};
    
    printf("sizeof(r) = %d\n", sizeof(r));
    printf("sizeof(r.before) = %d\n", sizeof(r.before));
    printf("sizeof(r.after) = %d\n", sizeof(r.after));
    printf("&r.before = %p\n", &r.before);
    printf("&r.after = %p\n", &r.after);

}

结果如下:

通过上面的程序知道:引用的本质就是指针,C++希望利用引用在大多数情况下代替指针。

示例程序二:

  • 使用常量const引用初始化时,编译器会自动分配一段空间,
  • 使用变量const引用初始化时,编译器不会分配空间,而是将const引用和变量捆绑在一起
#include <stdio.h>
int main()
{
    int c = 0;
    
    const int& a = 1; //定义const引用a,指定a的初始化是个常量1
    const int& b = c; //定义const引用b,指定b的初始化是个变量c
    
    int *p = (int *)&a;
    
    
    //b = 2;          //错误,不能直接修改const引用的内容,因为b是个只读变量
    
    *p = 10;          //改变const引用a的内容
    printf("a = %d, b = %d, c = %d\n", a, b, c);
    
    p = (int *)&b;
    *p = 10;           //改变const引用b的内容
    printf("a = %d, b = %d, c = %d\n", a, b, c);
    
    return 0;
}

结果如下:

  • const引用a初始化的是一个常量1,但却能被修改成功,说明a有自己的一段存储空间
  • const引用b被指针修改后,变量c也跟着改变,说明const引用b和变量c的存储空间是一起的
  • 所以,在C++中,const修饰的是常量,而const &修饰的是只读变量(可以通过指针修改值)

 

 

 

函数返回引用

必须遵守,不要返回局部变量的引用。

示例程序:

#include <stdio.h>

int& demo() //其实返回 int *const(内部实现)
{
    int d = 0;
    
    printf("demo: d = %d\n", d);
    
    return d;//返回局部变量d的本身,返回的是引用 return &d;
}

int& func()
{
    static int s = 0;//存储在全局的存储区
    
    printf("func: s = %d\n", s);
    
    return s;//返回静态局部变量的引用 return &s
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    int& rd = demo();
    int& rs = func();
    
    printf("\n");
    printf("main: rd = %d\n", rd);//这里的rd相当与野指针
    printf("main: rs = %d\n", rs);
    printf("\n");
    
    rd = 10;//很危险,demo的局部变量d已经不存在了
    rs = 11;//对rs的操作,相当于对s的操作
    
    demo();
    func();//静态局部变量s的别名rs,对rs的操作,相当于对s的操作
    
    printf("\n");
    printf("main: rd = %d\n", rd);//rd所代表的4字节空间已经不存在了,没意义
    printf("main: rs = %d\n", rs);
    printf("\n");
    
    return 0;
}

结果如下:

引用可以在最大程度上,避开内存操作的错误。引用的本质就是指针。

 

 

 

小结:

引用作为变量别名而存在旨在代替指针

const引用可以使得变量具有只读属性

引用在编译器内部使用指针常量实现

引用的最终本质为指针

引用可以尽可能的避开内存错误

 

 

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