【重学C++】【引用】一文看懂引用的本质与右值引用存在的意义

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重学C++系列文章，在会用的基础上深入探讨底层原理和实现，适合有一定C++基础，想在C++方向上持续学习和进阶的同学。争取让你每天用5-10分钟，了解一些以前没有注意到的细节。

引用是C++中一个重要的特性，它使原来在C中必须用指针实现的功能有了另一种实现的选择，在书写形式上更为简洁。本文我们就从引用的本质、以及现代C++中最常使用的左值引用与右值引用方面入手，深入理解这些概念、底层原理及用法细节。

1. 引用的本质

先说结论：在C++中，引用本质上是一个指针常量。

1.1 引用的一些解释和性质

C++中的引用可以理解为一个变量的别名，它的本质在底层实现上其实是一个指针常量。也就是，一旦指向一个值，那这个指向就不能变。这就是为什么引用在声明时必须被初始化的原因。

尽管引用在语法层面上与普通的变量使用方式几乎相同，可以对其进行赋值等操作，但在底层实现上，这些操作都是通过指针间接完成的。当对引用进行操作时，编译器会自动将其转化为对指针所指向的对象的操作。

需要注意的是，尽管引用在底层实现上与指针有相似之处，但在C++的语法层面，引用和指针还是有明显的区别的。例如，引用总是指向一个有效的对象，没有空引用，而且引用一旦被初始化为指向一个对象，就不能再指向其他对象。这些特性使得引用在某些情况下比指针更为安全易用。

1.2 引用是否占用内存空间？

答案是：占用。与指针占用相同的内存空间。但是其不允许寻址。

（1）引用占用内存空间的验证

可以使用一个结构体来验证引用是否占用内存空间：

struct Student
{
    int age;
    int& a;
    int& b;
};
std::printf("Student的大小：%llu\n", sizeof(Student)); // Student的大小：24

以上输出 Student 的大小为 24（64位系统），我们都知道int的大小是4，而64位系统中，地址的大小是8，引用 a 和 b占用的内存为 2*8=16，在Struct中存在内存对齐，4字节的int向8字节对齐，所以 age 也占8，一共是24。也证明了引用确实占用内存空间。

（2）引用不能寻址

以下测试代码：

int a = 10;
int &b = a;
int c = 20;
int *const d = &a;
std::printf("a的地址：%p\n", &a);
std::printf("b的地址：%p\n", &b);
std::printf("c的地址：%p\n", &c);
std::printf("d的地址：%p\n", &d);
std::printf("d指向的值：%d\n", *d);

输出为：

引用b的&b为其指向的地址，而非自身的地址。而正常的指针d，&d代表的是指针自身的地址。

1.3 面试：引用与指针的区别

总结一下C++中引用与指针的区别，常见面试八股文：

1. 初始化和绑定：

• 引用：在声明时必须被初始化，并且一旦一个引用被绑定到一个对象，就不能再被重新绑定到另一个对象。
• 指针：可以未初始化，并且可以指向任何类型的对象，也可以重新指向另一个对象。

2. 间接访问：

• 引用：通过引用名直接访问其所绑定的对象。
• 指针：通过指针间接访问其所指向的对象。

3. 空值：

• 引用：不能为空。
• 指针：可以设置为nullptr或NULL。

4. 解引用操作：

• 引用：不能进行解引用操作。
• 指针：可以解引用来访问其所指向的对象。

5. 指针算术：

• 指针：可以进行指针算术操作，例如加、减等。
• 引用：不能进行此类操作。

6. 函数参数传递：

• 引用：可以通过引用来传递大型对象，而不会造成复制开销。
• 指针：也可以用于传递大型对象，但可能增加错误使用（如野指针）的风险。

7. const 修饰符：

• 引用：可以通过const引用来确保不修改所绑定的对象。
• 指针：需要使用const修饰指针本身和指针所指向的内容，来确保不修改。

8. 语法差异：

• 声明引用时使用"&"符号，例如int a = 10; int& ref = a;。
• 声明指针时使用"*"符号，例如int* ptr = &a;。

9. 寻址差异：

• 指针可以看到自身的地址
• 引用看不到自身的地址

10. 转换差异：

• 理论上，引用的代码都可以替换成指针常量来实现
• 指针常量有时候无法替换成引用来实现

例如，下面的代码是合法的：

int i=5, j=6;
int* const array[]={&i,&j};

而如下代码是非法的：

int i=5, j=6;
int& array[]={i,j};

2. 右值引用

知道了引用的一些概念和用法，下面我们来看现代C++中最常用的一个高级特性：右值引用。

在右值引用之前，我们有必要认识一下什么是右值，什么是左值。

2.1 左值和右值

2.1.1 定义和区分

有的书中将左值和右值定义为：

• 左值（lvalue）：指的是那些可以放在赋值操作符左边的值，它们通常对应着内存中有明确存储位置的对象，比如变量。
• 右值（rvalue）：指的是那些不能放在赋值操作符左边的值，通常是临时的、匿名的或者不可地址化的值，例如常量和临时对象。

这个定义有一半是正确的，但有一半是错误的。在我看来，左值和右值并不是通过在赋值操作符的左边和右边来区分的。左值可以放在赋值操作符的左边，但也可以放在右边。

正确的描述应该是：

• 左值：存放在内存中，有内存地址，可以通过地址访问（变量名、指针或者引用）
• 右值：不在内存中，没有内存地址。无法通过地址（变量名、指针或者引用）来访问

2.1.2 一些左值和右值举例

下面举几个左值右值的例子，看看就好，记不住也没关系，实际中，用到的区分左值右值的情况并不是很多。

2.1.2.1 左值

（1）普通变量：int a, std::string b 等

（2）指针、指针访问的数据成员、数组、数组访问的元素：*p, p->value, arr[n]

（3）返回引用类型的函数，例如下面的例子，程序员可以拿到该函数返回值的地址

int g_test_a = 10;
int& get_value()
{
    return g_test_a;
}
// main函数中打印：
std::printf("get value function返回值的地址：%p\n", &get_value());
std::printf("g_test_a的地址：%p\n", &g_test_a);
// 输出：
// get value function返回值的地址：00007ff7e864a000
// g_test_a的地址：00007ff7e864a000

2.1.2.2 右值

（1）字面量：如 42、true等

（2）返回值不是引用类型的函数：int get_value()

（3）this 指针

（4）lambda：{ return x * x; }

2.1.2.3 下面这些例子，你能分得清吗？

（1）++i是左值，i++是右值

前者，对i加1后再赋给i，最终的返回值就是i，所以，++i的结果是具名的，名字就是i；而对于i++而言，是先对i进行一次拷贝，将得到的副本作为返回结果，然后再对i加1，由于i++的结果是对i加1前i的一份拷贝，所以它是不具名的。

（2）“hello” 这些字符串的字面量是左值，42等非字符串的字面量是右值

2.2 右值引用的意义

右值引用存在的意义，主要是用来提高程序的运行效率，避免不必要的拷贝。

举个例子，C++11之后，std::string的赋值操作符实现有以下两种形式：

string& operator=(conststring& str) 
{
  复制 string
  return *this;
}
string& operator=(string&& str) noexcept
{
  交换 string;
  return *this;
}

第一种是将字符串拷贝一份，这样实际内存中就存在两份一样的字符串。

第二种是将字符串的内存数据作交换，这样不会进行拷贝，只相当于交换了一下指针指向。这种情况避免了拷贝中的性能消耗，但是破坏了原来的字符串（指向了空）。

对于右值来说，编译器知道其不会被程序员使用，也知道其用完之后应该销毁，所以它可以放心地使用第二种方式。

而对于左值，编译器不知道这个原来的值什么时候应该被销毁，所以其只能通过第一种方式完成赋值。

这也是为什么会有左值和右值的区分和右值引用的意义所在。

看到这，应该也能理解，我前面说的，区分左值和右值，看看就好，记不住也没关系了：对于大多数的情况来说，这些左值和右值都是编译器来自行区分的，根本用不到我们。

我们需要做的，是从我们的程序中，识别出哪些是赋值之后就不需要的，这些值可以通过 std::move 函数将左值转换成右值，告诉编译器，这个变量可以当作右值来用，从而优化性能。

3. 总结

本文我们深入理解了引用的本质，以及学习了左值和右值的概念，还有右值引用存在的意义。

对于左值和右值，我认为不需要去特别的区分，这是编译器的工作。我们更多需要做的，是识别出我们程序中变量的生命周期，如有可能，将左值通过 std::move 转换成右值，从而避免拷贝过程，提高程序性能。

4. 参考

• https://blog.csdn.net/shulianghan/article/details/132436972
• https://mp.weixin.qq.com/s/CKEdPD0tmaPxb8QxqqU_lw
• https://mp.weixin.qq.com/s/F0IYsVBbSgYHP66bbTDH6w
• https://mp.weixin.qq.com/s/7Aj3FEdBpsw67VU2IdMjPw
• https://www.cnblogs.com/lyxtech/articles/15216107.html

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