C++详细分析引用的使用及其底层原理

引用

引用不是定义一个新变量，而是给已存在的变量取了一个外号，编译器不会为引用变量开辟内存空间，它和它引用的变量共用同一块内存空间。

举个形象的例子，鲁智深又被叫做"花和尚"，这里的花和尚和鲁智深都是同一个人，花和尚就是鲁智深的引用，说白了引用其实就是取外号。

引用的注意事项

• 1.引用必须初始化

int main()
{
int a；
int &b =a;
}

这时b就是a的外号。
下面的这种没有初始化的做法是错误的

int main()
{
int &b；//引用必须初始化，这里没有进行初始化。
}

• 2.一个变量可以有多个引用

在生活中，我们可能有多个名字，在家中父母可能叫你小名，在外面别人可能叫你的全名或者外号

其实也就是一个变量可以有多个外号，也就是可以有多个引用。

int main()
{
int a;
int &b=a;
int &c=a;
}

这里的b和c都是a的外号，b，c，a三个变量指向的都是同一块内存空间。

• 3.引用一旦引用了一个实体就不能再引用其他的实体

形象的来说，就是你和你的亲弟弟不能用同一个名字

下图c是a的引用，那么现在他就不能做b的引用了。

引用做参数

在讲引用做参数之前，我们先需要了解一下，参数传值和参数传引用的区别。

1.参数传值

下图实参传递了a，形参b对其进行了接收并修改，但是实参a最终并没有受到影响，这又是为什么呢？

原来，参数传值的时候，形参会生成一份实参数据的拷贝，也就是说实参和形参指向的不是同一块空间，所以形参的修改不会影响实参。

2.引用传参

下图进行了引用传参，形参的修改对实参产生了影响，我们可以大胆推测形参和实参是一块空间。

原来，引用传参的时候，形参不再是实参的拷贝，而是实参的一个引用，也就是说实参和形参指向的是同一块内存空间，形参的改变会影响实参。

实参传值和传引用的优劣

1.实参传值：

缺点：形参会生成一份实参数据的拷贝，当数据量很大时，在一定程度上就会影响程序的运行速度

优点：因为形参是实参的拷贝，所以形参的操作不会影响实参，可以防止实参数据遭到污染。

2.实参传引用

缺点：形参的操作对实参会产生影响，形参的错误操作会让实参数据遭到修改。

优点：因为形参是实参的引用，一定程序上，可以提高程序的运行速度

引用做函数返回值

在了解引用做返回值时，我们还是得先了解传值返回和传引用返回的区别。其实原理和上面大致相同。

1.传值返回

在返回c的时候，返回的不是c的本体，而是将c拷贝在一块临时空间里，所以返回的其实是这块临时空间。然后ret再次拷贝一个和这块临时空间一样数据的空间。

这块有点像俄罗斯套娃，需要多画图理解。我一开始也有点懵逼。多画图就清晰了。

但是问题又来了，这块临时拷贝空间又存储在哪里呢？

当c比较小的时候（4字节或者8字节），一般是存储在寄存器中。

当c比较大的时候，临时变量放在该函数的栈帧上面。

接下来我们通过观察代码的反汇编进行证明：

分析这段代码的汇编，在进入add函数以后，先是将a的值给了eax，然后将b的值加上a，接着将eax里的值给了c。最后对c进行返回，在返回c的时候生成一个临时拷贝，c将自己的值又给到了寄存器eax中。

最后回到主函数，eax将值给了ret。

传引用返回

这里进行的是传引用返回，也就是说ret其实就是c的别名。传引用返回，返回的就是本体，而不是拷贝。因为这里c是一个局部变量，在函数结束以后，栈帧被销毁，局部变量的空间被系统回收了。这时ret再去访问c的内容就可能造成非法访问，并且c的值可能已经被修改了。

形象的来说：就是你原先买了一个房子，后面你又将其卖给了别人，后面你想再次进入这个房子，但是这间房子已经不属于你了，你进房子的操作就属于非法访问了。

所以，传引用返回时，返回的对象不能是出函数就被系统回收的。也就是说返回的变量不能是一个局部变量。

引用的权限

1.引用的权限可以缩小

int main() {
int a = 10;
const int &b = a;//权限的缩小
}

这里变量a是可读可写的，而b是a的引用，b只能对a这块内存空间进行读取，不能进行修改，这就是权限的缩小，这在C++中是可以的。

2.引用的权限不能放大

int main() {
const int a = 10;
int &b = a;//权限的缩小
}

这里变量a指向的空间是只能读取的，不能进行修改，而a的引用b，是可以对a指向的这块空间进行修改的，使得权限得到了放大，这种语法在C++中是错误的。

总结：引用可以进行权限的缩小，但是不能进行权限的放大

引用经典笔试题

下图中的代码(1)和(2)是否能够正常运行？

double d=11.1;
int a=d;(1)
int &ret=d;(2)

答案:(1)可以运行通过，(2)不行。

代码(1)是普通的隐式类型转换。

而在了解代码(2)的错误原因之前，我们需要回顾一些知识：

产生临时变量的情况

1.类型转换

double d=11.1；

int a=d;

d的类型是double，a的类型是int，类型不同，正如下图所示，在发生隐式类型转换的时候，需要将d的值存到一个int类型的临时变量里，然后将这个临时变量的值赋予给a。

2.整形提升

int a=10

char c=‘b’；

if(a>c){

}

这里并不是拿c直接和a进行比较，而是将c赋值到一个int的临时变量里，通过这个临时变量去和a进行比较。

关于右值

结论：右值是具有常性的，是不可修改的。

这里的右值不能通过字面意思(处于式子右边的值)进行理解，以下的几种情况一般都是属于右值。

1.表达式的计算结果： 如：5+3=8,这里的8就是右值。

2.常量：如a=5，这里的5就是右值。

3.一些隐式类型转换产生的临时变量。如

int a；

double d；

d=a；

这里隐式类型转换产生的临时变量也是一种右值。

在明白了这些基础原理以后，我们开始学习为什么代码int &ret=d;(2)是错误的。

这里引用的变量其实是一块临时空间，而临时空间是右值是不能修改的，这种引用的方式本质上其实就是权限的放大，因此编译不能通过。

引用的底层原理

int main() {
int a;
int &b = a;
int *p = &a;
}

这里通过调试模式观看这段代码的反汇编。

这里的lea是取地址的意思。 从汇编代码可以看出，在底成实现的时候，引用和指针的实现方式是一样的，所以说： 引用的底层是通过指针实现的