c++中引用面试点7连问以及引用真的不分配内存吗

Posted 2021-07-03 cpp加油站

本篇文章从面试官的口吻连问7个引用有关的问题，并且从汇编的层面上对引用进行深入分析，让你充分理解引用的概念和原理。

首先还是看一下思维导图：

1. 引用的背景和概念

说到引用，首先要说一下’&'标识符，其实c语言中这个符号只是用来取地址的，并没有引用的概念，直到c++对这个标识符的作用进行了扩充，才有了引用这个概念。

所谓引用，其实就是给变量取了一个别名，一个简单的例子如下：

int main()
{
	int a = 2;
	int &b = a;
	return 0;
}

对于这段c++代码而言，其实b就是a的别名，对变量b进行操作其实就是对a进行操作。

2. 引用本身具有哪些特点

对于引用，有如下特点：

• &标识符这里是引用，不是取地址符；
• 声明引用的时候就必须对其进行初始化，因为引用声明以后你没有办法再对它进行修改，语法上就不支持；
• 声明一个引用并没有新增加一个变量，只是被引用的变量多了一个别名而已，此时对引用求地址其实就是对被引用的变量求地址；
• 引用也会分配存储空间，用于保存被引用变量的地址，这一点在第7点中会进行说明；
• 基于以上原因，引用不可作为数组的元素。

3. 引用作为函数参数有什么特点

引用也可以作为函数参数，而且我们经常会用到，比如如下代码：

#include <stdio.h>

void add(int &p_a)
{
	p_a = p_a+1;
}

int main()
{
	int a = 2;
	printf("a=%d\\n", a);
	add(a);
	printf("a=%d\\n", a);

	return 0;
}

这段代码在调用add函数的时候，对参数p_a操作其实就是直接对变量a操作，所以在函数调用完成以后，变量a的值也被改变了，基于这一点，当需要在函数内部修改传递进来的变量的值并传出去，也就是一个变量既作为入参，也作为出参，此种情况下，可以使用引用。

4. 什么时候需要使用常引用

当既要使用引用提高程序的效率，又不能在函数内部修改实参的值时，可使用常引用。

大家可能会想，不想修改实参的值，直接使用const传递参数就可以了，何必要使用引用呢，其实就是避免了临时对象的拷贝，这一点对于基础内置类型而言，可能不能提高效率，但是对于一些比较复杂的自定义类型，它所占用的内存较大的情况下，使用引用肯定要比拷贝临时对象效率要高的多。

5. 引用作为函数返回值有什么好处以及需要遵循什么规则

引用作为函数返回值的好处：在内存中不会产生被返回值的临时副本。

引用作为函数返回值需遵循的规则：

• 不能返回局部变量的引用，因为局部变量在函数返回的同时也会被释放掉；

• 不能返回函数内部动态分配的变量的引用，因为引用只是作为一个临时变量的出现，并未赋予一个实际的变量，该引用所指向的空间无法被释放；

• 可以返回类成员的引用，但最好是const类型，防止成员被修改；

• 为了保证连续使用流操作符(<< >>)重载返回值时，操作的是同一个对象，流操作符重载返回值应该声明为引用；

• ±*/这四则运算符重载不能返回引用。

6. 引用和多态的关系

引用是c++中另外一种实现多态的手段，与指针一样，也是基类的引用可指向派生类的实例。

7. 引用和指针的区别

之前都说引用和指针最大的区别是引用不会分配存储空间，而数组需要，但其实不是这样的，我们用一段代码进行说明一下：

//test.cpp
int main()
{
	int a = 2;
	int &b = a;
	int *c = &a;

	return 0;
}

对于这段代码，我们使用g++ -g test.cpp编译以后用gdb进行一下调试，看看它对应的汇编指令是怎样的：

(gdb) b main  #在main函数入口处打断点
Breakpoint 1 at 0x400560: file test.cpp, line 3.
(gdb) set disassemble-next-line on  #打开汇编指令开关，后续代码每执行一步，就会打印出来对应执行的汇编指令
(gdb) r
Starting program: /root/a.out 

Breakpoint 1, main () at test.cpp:3
3		int a = 2;
=> 0x0000000000400560 <main()+4>:	c7 45 ec 02 00 00 00	movl   $0x2,-0x14(%rbp) #把2这个值赋给寄存器rbp偏移20个位置的地方，也就是把a这个变量的值赋给它的地址
(gdb) n
4		int &b = a;
=> 0x0000000000400567 <main()+11>:	48 8d 45 ec	lea    -0x14(%rbp),%rax #rbp寄存器偏移20个位置的地址存入rax寄存器，其实就是取变量a的地址
   0x000000000040056b <main()+15>:	48 89 45 f8	mov    %rax,-0x8(%rbp) #rax寄存器的值赋给rbp寄存器偏移8个位置的地方，其实就是把变量a的地址存入rbp寄存器偏移8个位置的地方
(gdb) 
5		int *c = &a;
=> 0x000000000040056f <main()+19>:	48 8d 45 ec	lea    -0x14(%rbp),%rax#rbp寄存器偏移20个位置的地址存入rax寄存器，这里也是在取变量a的地址
   0x0000000000400573 <main()+23>:	48 89 45 f0	mov    %rax,-0x10(%rbp) #把变量a的地址存入rbp寄存器偏移16个位置的地方

看到了吗，注释清楚的写明了每行汇编指令的意思，通过这个注释，我们可以看出来其实引用和指针的汇编指令是一样的，并且引用也是分配了8个字节用来存放被引用变量的地址的，所以从汇编的层面看，引用和指针其实是一样的。

通过以上代码和汇编指令，对引用和数组的区别总结如下：

• 从c++的层面看，引用是变量的别名，对引用进行操作其实就是对变量本身操作，而指针是通过它所保存的地址来对变量进行间接的操作；
• 引用和指针一样，都会申请一段内存用来存放变量的地址，我们可以认为引用是匿名指针；
• 指针本身的值可以修改，也就是说指针可以指向不同的变量，而引用在声明时初始化以后不能再指向别的变量，从这个角度而言，引用可以认为是常量指针。

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