C++中引用变量的探究

昨天看了C++primer的2.5节，引用变量，看完之后，对引用变量有一些疑惑，然后自己编写了一些测试程序，想搞清楚引用变量的底层到底做了些什么。下面，首先，我从C++ primer一书的2.5节内容讲起，再进行一些延伸。

一、C++ primer2.5节学习笔记：

注意（1）将普通的引用绑定到const对象是不合法的

　　（2）const引用可以初始化为不同类型的对象或者初始化为右值，而非const引用引用不能初始化为右值

　　原因在于：一般情况下，应该使非const引用指向同类型的变量，当指向的是不同类型的变量时，会出现以下情况：

例：

编写如下的测试程序：

 1 int main()
 2 
 3 {
 4 
 5         double dval = 3.14;
 6 
 7         const int &ri = dval;
 8 
 9         return 0;
10 
11 }

如上图所示，能够编译成功，但是会显示这么一条warning，将double类型转化为const int类型，可能会loss of data。

首先，看dval存储的地址，是0x0012ff5c，而ri存储的地址是0x0012ff44，而引用所在的地址应该和其指向的变量的地址相同，出现这个问题就是因为引用和其指向的变量类型不同，实际上，编译器会将const int &ri = dval; 转化为如下代码：

1 int temp = dval;
2 
3 const int &ri = temp;

所以ri引用指向的已经不是dval，而是这个过程中创建的一个临时变量temp，进行强制类型转化（转化为了3），这一点从内存中也能够看出，ri指向的变量地址是0x0012ff44，此处，存储着0x0000_0003，即一个整型变量（这里占了4个字节）

所以，如果ri不是const，那么就可以对ri进行改变，但是程序员的原意是通过ri的修改从而改变dval，但是这种情况下，改变ri的值不能改变dval，而只能改变temp（实际上没有这个变量名）的值，这和程序员的原意是违背的，所以C++标准中干脆将这种用法规定为不合法，下面是我们将const int&ri = dval;改成了int &ri = dval;后编译出现的情况：

从上图中可以看出，这种用法是不合法的。

二、探究C++的引用：

从一条语句的反汇编看起：

1 const int &ri = dval;    // const引用指向不同的类型

首先，dval的地址是在0x0012ff5c，这里的8字节数据存储着浮点数3.14，然后，观察const int &ri = dval;反汇编后的代码：

004113E7  fld        qword ptr [dval]      ;浮点协处理器指令

004113EA  call      @ILT+200(__ftol2_sse) (4110CDh)      ; 应该调用函数是进行强制类型转化，结果存在eax寄存器中

004113EF  mov       dword ptr [ebp-24h],eax     ; 将强制类型转化后的结果存在内存中
                                                ; （可理解为C++ primer书中所说的产生了一个temp变量
                                                ; 这个变量的地址就是ebp-24h）

004113F2  lea       eax,[ebp-24h]                  ; 将所存结果的地址（lea）给eax寄存器

004113F5  mov       dword ptr [ri],eax          ;即将上面所说的地址（不妨认为是temp变量的地址）
                                                ;给变量ri所在的内存区域
                                                

单步完这一步后，可以看到内存中有两处颜色变红了，表示在这一过程中内存中有两处进行了修改，根据上面的反汇编的分析，的确应该是这样，首先，是内存中的[ebp-24h]处（”temp变量“处）变成了0x0000_0003，然后是将这个临时变量的地址，即ebp-24h的值赋给了ri变量所在的内存区域。

实际上，将鼠标指针放在ebp的上面可以看到其十进制的值，如下所示

所以此时ebp = 1245032 = 0x0012ff68

ebp-24h = 0x0012ff44

所以ri变量处的内容应该是0x0012ff44

而ri变量的地址应该是0x0012ff50，从上面的内存图中可以看出，0x0012ff50在这一过程中变化了，并且内容是0x0012ff44，实际上，在反汇编的窗口中进行单步也能够看出这一点：

”temp变量“改变前：

”temp变量“改变后，ri变量改变前：

ri变量改变后：

从上面的三幅图中可以看出，我们前面的结论是正确的。

但是，在这里出现了一个问题，我们来查看Watch窗口，可以看到：

??????????????????????????

上面和我们前面按照反汇编理解的是不一样的，按照我们的理解，应该是：

ri：存储着被引用变量所在的地址（这里应该是”temp变量“的地址），即0x0012ff5c，

*ri：即0x0012ff5c存储单元的内容，即3

&ri: 即ri变量所在的地址，按照前面调试的结果，应该是0x0012ff50。

但是在Watch窗口中看到的结果是：

ri = 3

*ri = 3

&ri是temp变量的地址，0x0012ff5c

上面的这个问题先放着，先来看这个测试程序的最后两句，是两个普通的非引用变量的初始化，我们来看这部分的反汇编代码：

可以看到val1变量的初始化很简单，就是把一个常量5放到了内存中变量val1所在处，而val2的初始化也可理解为就是把变量val1的内容搬移到val2所在处，但是考虑到x86系列不能再两个存储器单元之间传送数据，所以这里需要通过一个寄存器eax，把val1中的内容搬到了val2中，注意到，这里用的汇编指令都是mov，从这里，联系前面的分析，就能看出引用变量和非引用变量进行初始化时的最重要区别，非引用变量初始化时，给这个变量开辟了一个内存空间，将等号右边的表达式结果搬移(mov)到了这个变量所在的内存单元处，而引用变量初始化时，也给这个变量开辟了内存空间，但是区别在于是将等号右边的相同类型变量（被引用变量）的地址赋给了这个引用变量（这是就非const变量或者const变量时的一种特殊情况讨论的，若是const变量，并且等号右边和引用变量不是同一类型时，则在中间要加上一步，就是创建一个临时变量（类型和引用变量相同），给这个临时变量开辟一段内存空间，然后把等号右边的表达式的结果存入这个临时变量中，接下来，再把这个临时变量的地址赋给这个引用变量）。

所以，从这一点上来看，引用完成的功能和指针很像，但是可能是C++必须要区分开引用这种用法，所以虽然从上面来看引用变量的类型实际上是一个指针类型，但是编译器可能不这样看，而是把在代码中出现的这个引用类型都翻译成引用类型的内容，所以在后面的程序中使用引用类型的时候，比如说改变引用ri的值的时候，实际上改变的是*ri（这里先把ri看成指针类型理解吧）的值，这可能也是前面在Watch窗口中查看时出现问题的原因。

上面这段话只是我的推测，在C++方面看的书还比较少

下面接着来看下面的语句的反汇编结果和执行情况：

1         const double &ri2 = dval;    // const引用指向相同的类型

执行后：

可以看出，const变量指向相同类型的变量时，实际上在内存中也开辟了一个空间，这个空间中放置着ri2变量，ri2变量的内容是一个地址，即被引用变量dval的地址，但是，如前所述，按照这种指针的方法理解的话，就会把引用变量ri2理解成了指针（其实从这个结果来看，ri2就是一个指针变量），所以，以后理解引用变量时，最好就把引用变量看成一个不占用任何内存空间的”变量“，其地址就是被引用变量的地址（仅仅就两者类型一致时，不一致时有”临时变量“），就好像引用变量是被引用变量的一个别名。

接着看下面的语句：

1 double &ri3 = dval;    // 非const引用指向相同的类型

这和上面的const引用指向相同的类型实际上是一样的。

结果截图如下：

最后，看const引用指向右值（常数）的情况：

1 const int &ri4 = 4;    // const引用指向右值（常数）

结果为：

实际上，这和const变量指向不同类型的情况是相同的。也存在着一个临时变量。

下面，对前面的分析进行一个总结：

一方面，按照反汇编分析的结果来看：

（1）如果引用变量指向的是相同类型的变量，那么，首先会为这个引用变量开辟一段内存空间（实际上这是在编译阶段就完成了），然后把被引用变量的地址放到这段内存空间中，即把被引用变量的地址赋给引用变量，

（2）如果引用变量初始化式右端的变量和引用变量是不同类型的，或者初始化式右边就是一个右式（这两种情况都只有const引用是合法的），这时，首先，将开辟一段内存空间，把初始化式右边的结果（可能需要强制类型转化等）放在这个内存空间中（可理解为定义了一个临时变量），然后再把这个临时变量对应的地址赋给引用变量。

但是前面已经讲了，按照反汇编的结果理解的话，可能会有将引用和指针混淆的疑惑，而实际上，在C++中使用引用时，也不需要知道这么多的底层细节，所以，可以这样来理解引用：

（1）如果引用变量指向的是相同类型的变量，那么这个引用变量就相当于这个被引用变量的一个别名，两者占用相同的内存空间，对引用变量做的任何改变也会改变相应的被引用变量。

（2）如果引用变量初始化式右端的变量和引用变量是不同类型的，或者初始化式右边就是一个右式（这两种情况都只有const引用是合法的），这时，首先，编译器会定义一个临时变量，把初始化式右边的结果（可能需要强制类型转化等）赋给这个临时变量，然后再将原引用指向这个类型相同的临时变量（这一步的过程和（1）相同）。

下面是写的这段测试程序的反汇编代码，放在这里方便查看：

最后，说明一下，这篇文章中很多都是我自己的看法，有些没在书上找到，不一定正确，如果有错，希望大家提醒！