C++引用在本质上是什么，它和指针到底有什么区别？

桃扇骨 2022-09-15 11:52 19阅读 0赞

相信学过C++的小伙伴对引用都有了一个概念上的认识，能够简单地使用引用编程了，但又感觉糊里糊涂，不明白它到底是什么，它和指针有点相似，但又不是一个东西。

**首先举个例子：**

#include <iostream>
    
    using namespace std;
    
    int main(){
    
        int a = 99; 
    
        int &r = a;
    
        cout<<a<<", "<<r<<endl;
    
        cout<<&a<<", "<<&r<<endl;
    
        return 0;
    
    }

————————————

**运行结果：**

> 99, 99
> 
> 0x28ff44, 0x28ff44

=====================

我们知道，变量是要占用内存的，虽然我们称 r 为变量，但是通过&r获取到的却不是 r 的地址，而是 a 的地址，这会让我们觉得 r 这个变量不占用独立的内存，它和 a 指代的是同一份内存。

**请读者再继续看下面的例子：**

#include <iostream>
    
    #include <iomanip>
    
    using namespace std;
    
    int num = 99;
    
    class A{
    
    public:
    
        A();
    
    private:
    
        int n;
    
        int &r;
    
    };
    
    A::A(): n(0), r(num){}
    
    int main (){
    
        A *a = new A();
    
        cout<<sizeof(A)<<endl;  //输出A类型的大小
    
        cout<<hex<<showbase<<*((int*)a + 1)<<endl;  //输出r本身的内容
    
        cout<<&num<<endl;  //输出num变量的地址
    
        return 0;
    
    }

————————————

**运行结果：**

> 8
> 
> 0x442000
> 
> 0x442000

=====================

成员变量 r 是 private 属性的，不能直接通过对象来访问，但是借助强大的指针和类型转换，我们依然可以得到它的内容，只不过这种方法有点蹩脚。

第 20 行代码中，hex表示以十六进制输出，showbase表示添加十六进制前缀0x。

**从运行结果可以看出：**

> 成员变量 r 是占用内存的，如果不占用的话，sizeof(A)的结果应该为 4。
> 
> r 存储的内容是0x442000，也即变量 num 的地址。

这说明 r 的实现和指针非常类似。如果将 r 定义为int \*类型的指针，并在构造函数中让它指向 num，那么 r 占用的内存也是 4 个字节，存储的内容也是 num 的地址。

其实引用只是对指针进行了简单的封装，它的底层依然是通过指针实现的，引用占用的内存和指针占用的内存长度一样，在 32 位环境下是 4 个字节，在 64 位环境下是 8 个字节，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。以下面的语句为例：

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。

**当引用作为函数参数时，也会有类似的转换。**

**以下面的代码为例：**

//定义函数
    
    void swap(int &r1, int &r2){
    
        int temp = r1;
    
        r1 = r2;
    
        r2 = temp;
    
    }
    
    //调用函数
    
    int num1 = 10, num2 = 20;
    
    swap(num1, num2);
    
    编译时会被转换成如下的形式：
    
    //定义函数
    
    void swap(int *r1, int *r2){
    
        int temp = *r1;
    
        *r1 = *r2;
    
        *r2 = temp;
    
    }
    
    //调用函数
    
    int num1 = 10, num2 = 20;
    
    swap(&num1, &num2);

引用虽然是基于指针实现的，但它比指针更加易用，从上面的两个例子也可以看出来，通过指针获取数据时需要加\*，书写麻烦，而引用不需要，它和普通变量的使用方式一样。

C++ 的发明人 Bjarne Stroustrup 也说过，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。

### 引用和指针的其他区别 ###

**1) **引用必须在定义时初始化，并且以后也要从一而终，不能再指向其他数据；而指针没有这个限制，指针在定义时不必赋值，以后也能指向任意数据。

**2)** 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。

**3) **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;

**4) **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;
    
    }

————————————

**运行结果：**

> 11
> 
> 84

=====================

**- End -**

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