前言

今日在看侯捷的c++视频时，说到在写c++代码时，传参和返回值时能用引用就用引用，还说了句引用底层就是指针。但是没有往深入的说，可能是还没看到说的哪一集。但是内心充满了疑惑，平常写代码的时候也经常用引用，但是对引用的具体实现，以及效率如何，没有具体的学习过，为了解决心中的疑惑，决定彻底的搞下引用这个知识点。

本文，将在应用层到底层，从外到内的顺序，来进行深究引用

一、引用使用

用于定义别名

type &name = data;

注意：引用必须在定义的同时初始化，并且以后也要从一而终，不能再引用其它数据，这有点类似于常量（const 变量）。
引用和原始变量，指向同一地址

引用作为函数参数

引用作为函数返回值

这里需要注意下：不能返回局部数据（例如局部变量、局部对象、局部数组等）的引用，因为当函数调用完成后局部数据就会被销毁，有可能在下次使用时数据就不存在了，C++ 编译器检测到该行为时也会给出警告。

以上内容并不是我们今天的重点，简单回顾下即可。
下面这些内容，才让我们真正拨开引用那层神秘的面纱

二、引用的本质

为了了解引用变量的底层实现机制，看如下代码：

int i=5;
int &ri=i;
ri=8;

在Visual Studio 2017环境的debug模式调试代码，反汇编查看源码对应的汇编代码的步骤是：调试->窗口->反汇编，即可得到如下原码对应的汇编代码：

int i=5;
00A013DE  mov        dword ptr [i],5    	//将文字常量5送入变量i
int &ri=i;
00A013E5  lea        eax,[i]  	 	    	//将变量i的地址送入寄存器eax
00A013E8  mov        dword ptr [ri],eax  	//将寄存器的内容（也就是变量i的地址）送入变量ri
ri=8;
00A013EB  mov        eax,dword ptr [ri]  	//将变量ri的值送入寄存器eax
00A013EE  mov        dword ptr [eax],8   	//将数值8送入以eax的内容为地址的单元中
return 0;
00A013F4  xor        eax,eax

考查以上代码，在汇编代码中，ri的数据类型为dword，也就是说，ri要在内存中占据4个字节的位置。 所以，ri的确是一个变量，它存放的是被引用对象的地址。由于通常情况下，地址是由指针变量存放的，那么，指针变量和引用变量有什么区别呢？使用指针常量实现上面的代码功能。考查如下代码：

int i=5;
int* const pi=&i;
*pi=8;

按照相同的方式，在VS2017中得到如下汇编代码：

int i=5;
011F13DE  mov         dword ptr [i],5  
int * const pi=&i;
011F13E5  lea         eax,[i]  
011F13E8  mov         dword ptr [pi],eax  
*pi=8;
011F13EB  mov         eax,dword ptr [pi]  
011F13EE  mov         dword ptr [eax],8  

观察以上代码可以看出：
（1）只要将pi换成ri，所得汇编代码与第一段所对应的汇编代码完全一样。所以，引用变量在功能上等于一个指针常量，即一旦指向某一个单元就不能在指向别处。
（2）在底层，引用变量由指针按照指针常量的方式实现。

由上我们知道了，引用就是由指针按照指针常量的方式实现的，并且占用4字节内存。
但是我们用过引用的，此时心中都有了个疑惑，既然引用占内存，为什么我却无法获得引用的地址啊。接下来我就用下面代码来解释这个疑惑：
之所以不能获取引用的地址，是因为编译器进行了内部转换。
如下代码：

int a = 99;
int &r = a;
r = 18;
cout<<&r<<endl;

编译时会被转换成如下的形式：

int a = 99;
int *r = &a;
*r = 18;
cout<<r<<endl;

使用&r取地址时，编译器会对代码进行隐式的转换，使得代码输出的是 r 的内容（a 的地址），而不是 r 的地址，这就是为什么获取不到引用变量的地址的原因。也就是说，不是变量 r 不占用内存，而是编译器不让获取它的地址。

理解了引用底层就是指针的方式，心中不仅又会产生疑惑，既然引用是指针来实现的，那直接用指针不就好了吗，为什么还要发明引用这么一个东西。

三、引用和指针的区别，用引用的好处

C++ 的发明人 Bjarne Stroustrup 说过，他在 C++ 中引入引用的直接目的是为了让代码的书写更加漂亮，尤其是在运算符重载中，不借助引用有时候会使得运算符的使用很麻烦。
感觉其实，引用的出现纯粹是为了优化指针的使用，而提出的语法层面的处理
（1）非空区别：在任何情况下都不能使用指向空值的引用。 一个引用必须总是指向某些对象。因此如果你使用一个变量并让它指向一个对象，但是该变量在某些时候可能不指向任何对象。这时你就应该声明该变量为指针，因为这样你就可以赋空值的。
相反，如果变量肯定指向一个对象，并且设计不允许变量为空，这时就把变量声明为引用。
这意味着，使用引用的效率比使用指针高。
（2）合法性区别：在使用引用之前不需要测试它的合法性。使用指针总是要判空。

（3）可修改区别：指针可以被重新赋值；引用则总指向初始化时被指定的对象，以后不许修改，但是指定的对象的内容可以改变。

（4）应用区别：使用指针：存在不指向任何对象的可能，可以设指针为空；需要改变指向，在不同的事件指向不同的对象。
使用引用：总指向一个对象并且一旦指向，就不回改变。

（5）可以有 const 指针，但是没有 const 引用。也就是说，引用变量不能定义为下面的形式：

int a = 20;
int & const r = a;

因为 r 本来就不能改变指向，加上 const 是多此一举。

（6）指针可以有多级，但是引用只能有一级，例如，int **p是合法的，而int &&r是不合法的。如果希望定义一个引用变量来指代另外一个引用变量，那么也只需要加一个&，如下所示：

int a = 10;
int &r = a;
int &rr = r;

（7）指针和引用的自增（++）自减（–）运算意义不一样。对指针使用 ++ 表示指向下一份数据，对引用使用 ++ 表示它所指代的数据本身加 1；自减（- -）也是类似的道理。请看下面的例子：

#include <iostream>
using namespace std;

int main (){
    int a = 10;
    int &r = a;
    r++;
    cout<<r<<endl;
   
    int arr[2] = { 27, 84 };
    int *p = arr;
    p++;
    cout<<*p<<endl;

    return 0;
}

明白了以上这些内容，算是对引用的本质了解清楚了。但是在使用引用时，还要注意一下两点:

引用不能绑定到临时数据

指针就是数据或代码在内存中的地址，指针变量指向的就是内存中的数据或代码。这里有一个关键词需要强调，就是内存，指针只能指向内存，不能指向寄存器或者硬盘，因为寄存器和硬盘没法寻址。
注意： 一些我们平时不太留意的临时数据，例如表达式的结果、函数的返回值等，它们可能会放在内存中，也可能会放在寄存器中。一旦它们被放到了寄存器中，就没法用&获取它们的地址了，也就没法用指针指向它们了。
如下所示：

int n = 100, m = 200;
int *p1 = &(m + n);    //m + n 的结果为 300
int *p2 = &(n + 100);  //n + 100 的结果为 200
bool *p4 = &(m < n);   //m < n 的结果为 false

对此主要提醒一点即可： C++ 对引用的要求更加严格，不管临时数据是存储在内存还是寄存器上，在某些编译器下都不能指代。

但是，哈哈哈，毕竟凡事都有特殊对吧，引用也不排除再外啊。

那就是当使用 const 关键字对引用加以限定后，引用就可以绑定到临时数据了。
如下代码所示：

int main(){
    int m = 100, n = 36;
    const int &r1 = m + n;
    const int &r2 = m + 28;
    const int &r3 = 12 * 3;
    const int &r4 = 50;
    return 0;
}

如上代码是正确的，这是因为将常引用绑定到临时数据时，编译器采取了一种妥协机制：编译器会为临时数据创建一个新的、无名的临时变量，并将临时数据放入该临时变量中，然后再将引用绑定到该临时变量。注意，临时变量也是变量，所有的变量都会被分配内存。

此时，我们不禁心中疑惑为什么编译器为常引用创建临时变量是合理的，而为普通引用创建临时变量就不合理呢？

原因如下：
（1）我们知道，将引用绑定到一份数据后，就可以通过引用对这份数据进行操作了，包括读取和写入（修改）；尤其是写入操作，会改变数据的值。而临时数据往往无法寻址，是不能写入的，即使为临时数据创建了一个临时变量，那么修改的也仅仅是临时变量里面的数据，不会影响原来的数据，这样就使得引用所绑定到的数据和原来的数据不能同步更新，最终产生了两份不同的数据，失去了引用的意义。
（2） const 引用和普通引用不一样，我们只能通过 const 引用读取数据的值，而不能修改它的值，所以不用考虑同步更新的问题， 也不会产生两份不同的数据，为 const 引用创建临时变量反而会使得引用更加灵活和通用。

明白了这个，下面再看另一个知识

const引用与转换类型

学引用，要先了解下指针，毕竟引用底层还是指针。
指针的类型要与它指向的数据的类型严格对应。
如下代码所示，

int n = 100;
int *p1 = &n;  //正确
float *p2 = &n;  //错误

char c = '@';
char *p3 = &c;  //正确
int *p4 = &c;  //错误

虽然 int 可以自动转换为 float，char 也可以自动转换为 int，但是float *类型的指针不能指向 int 类型的数据，int *类型的指针也不能指向 char 类型的数据。

那为什么编译器禁止指针指向不同类型的数据是合理的呢？
以 int 类型的数据和float *类型的指针为例，我们让float *类型的指针强制指向 int 类型的数据，看看会发生什么。下面的代码演示了这一幕：

#include <cstdio>
using namespace std;
int main(){
    int n = 100;
    float *p = (float*)&n;
    *p = 19.625;
    printf("%d\n", n);

    return 0;
}

将 float 类型的数据赋值给 int 类型的变量时，会直接截去小数部分，只保留整数部分，本例中将 19.626 赋值给 n，n 的值应该为 19 才对，这是我们通常的认知。但是本例的输出结果是一个毫无意义的数字，它与 19 没有任何关系，这颠覆了我们的认知。
虽然 int 和 float 类型都占用 4 个字节的内存，但是程序对它们的处理方式却大相径庭：
（1）对于 int，程序把最高 1 位作为符号位，把剩下的 31 位作为数值位；
（2）对于 float，程序把最高 1 位作为符号位，把最低的 23 位作为尾数位，把中间的 8 位作为指数位。

引用（Reference）和指针（Pointer）在本质上是一样的，引用仅仅是对指针进行了简单的封装，类型严格一致这条规则同样也适用于引用。下面的例子演示了错误的引用使用方式：

int n = 100;
int &r1 = n;  //正确
float &r2 = n;  //错误
char c = '@';
char &r3 = c;  //正确
int &r4 = c;  //错误 

故事到此就结束了吗，不，下面才真正引出引用的特殊地方

类型严格一致是为了防止发生让人匪夷所思的操作，但是这条规则仅仅适用于普通引用，当对引用添加 const 限定后，情况就又发生了变化，编译器允许引用绑定到类型不一致的数据。请看下面的代码：

int n = 100;
int &r1 = n;  //正确
const float &r2 = n;  //正确

char c = '@';
char &r3 = c;  //正确
const int &r4 = c;  //正确 

当引用的类型和数据的类型不一致时，如果它们的类型是相近的，并且遵守数据类型的自动转换规则，那么编译器就会创建一个临时变量，并将数据赋值给这个临时变量（这时候会发生自动类型转换），然后再将引用绑定到这个临时的变量， 这与将 const 引用绑定到临时数据时采用的方案是一样的。

注意，临时变量的类型和引用的类型是一样的， 在将数据赋值给临时变量时会发生自动类型转换。请看下面的代码：

float f = 12.45;
const int &r = f;
printf("%d", r);

当引用的类型和数据的类型不遵守数据类型的自动转换规则，那么编译器将报错，绑定失败，例如：

char *str = "https://blog.csdn.net/weixin_52259848?type=lately";
const int &r = str;

char *和int两种类型没有关系，不能自动转换，这种引用就是错误的。

特此提醒，当引用作为函数参数时，如果在函数体内部不会修改引用所绑定的数据，那么请尽量为该引用添加 const 限制。即引用类型的函数形参请尽可能的使用 const
概括起来说，将引用类型的形参添加 const 限制的理由有三个：
（1）使用 const 可以避免无意中修改数据的编程错误；
（2）使用 const 能让函数接收 const 和非 const 类型的实参，否则将只能接收非 const 类型的实参；
（3）使用 const 引用能够让函数正确生成并使用临时变量。

至此，感觉终于把引用给能清楚了，如果各位发现还有那些内容没有到位的，可以告知下啊，让我们一起再往深的学习学习。

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