程序设计基石与实践系列之按值传递还是按引用

Posted 2020-06-13 松子茶

从简单的例子开始.假设我们要交换两个整形变量的值，在C/C++中怎么做呢？我们来看多种方式，哪种能够做到.

void call_by_ref(int &p,int &q) { // 可以交换的例子
    int t = p;
    p = q;
    q = t;
}
 
void call_by_val_ptr(int * p,int * q) { // 不能交换的例子
    int * t = p;
    p = q;
    q = t;
}
 
void call_by_val(int p,int q){ // 不能交换的例子
    int t = p ;
    p = q;
    q = t;
}

因为例子非常简单，看代码即可知道只有call_by_ref这个方法可以成功交换。这里，

你一定还知道一种可以交换的方式

，别着急，慢慢来，我们先看看为什么只有call_by_ref可以交换。

call_by_ref

void call_by_ref(int &p,int &q) {
    push   %rbp
    mov    %rsp,%rbp
    mov    %rdi,-0x18(%rbp)
    mov    %rsi,-0x20(%rbp)
     
//int t = p;
    mov    -0x18(%rbp),%rax
    
//关键点：rax中存放的是变量的实际地址，将地址处存放的值取出放到eax中
    mov    (%rax),%eax
    mov    %eax,-0x4(%rbp)
     
//p = q;
    mov    -0x20(%rbp),%rax
    
//关键点：rax中存放的是变量的实际地址，将地址处存放的值取出放到edx
    mov    (%rax),%edx
    mov    -0x18(%rbp),%rax
    mov    %edx,(%rax)
     
//q = t;
    mov    -0x20(%rbp),%rax
    mov    -0x4(%rbp),%edx
    
//关键点：rax存放的也是实际地址，同上.
    mov    %edx,(%rax)
}

上面这段汇编的逻辑非常简单，我们看到里面的关键点都在强调：

将值存放在实际地址中.

上面这句话虽然简单，但很重要，可以拆为两点：

1、要有实际地址.
2、要有将值存入实际地址的动作.

从上面的代码中，我们看到已经有“存值”这个动作，那么传入的是否实际地址呢？

// c代码
call_by_val_ptr(&a,&b);
 
// 对应的汇编代码
 
lea    -0x18(%rbp),%rdx
lea    -0x14(%rbp),%rax
mov    %rdx,%rsi
mov    %rax,%rdi
callq  4008c0 <_Z11call_by_refRiS_>

注意到，lea操作是取地址，那么就能确定这种“按引用传递“的方式，实际是传入了实参的实际地址。

那么，满足了上文的两个条件，就能交换成功。

call_by_val

call_by_val的反汇编代码如下：

void call_by_val(int p,int q){
    push   %rbp
    mov    %rsp,%rbp
    mov    %edi,-0x14(%rbp)
    mov    %esi,-0x18(%rbp) 
    
//int t = p ;
    mov    -0x14(%rbp),%eax
    mov    %eax,-0x4(%rbp) 
    
//p = q;
    mov    -0x18(%rbp),%eax
    mov    %eax,-0x14(%rbp) 
    
//q = t;
    mov    -0x4(%rbp),%eax
    mov    %eax,-0x18(%rbp)
}

可以看到，上面的代码中在赋值时，仅仅是将某种”值“放入了寄存器，再观察下传参的代码：

call_by_val(a,b);
 
// 对应的汇编代码
mov    -0x18(%rbp),%edx
mov    -0x14(%rbp),%eax
mov    %edx,%esi
mov    %eax,%edi
callq  400912 <_Z11call_by_valii>

可以看出，仅仅是将变量a、b的值存入了寄存器，而非”地址“或者能找到其”地址“的东西。那么，因为不满足上文的两个条件，所以不能交换。

这里还有一点有趣的东西，也就是我们常听说的拷贝（Copy）：当一个值，被放入寄存器或者堆栈中，其拥有了新的地址，那么这个值就和其原来的实际地址没有关系了，这种行为，是不是很像一种拷贝？

但实际上，在我看来，这是一个很误导的术语，因为上面的按引用传递的call_by_ref实际上也是拷贝一种值，它是个地址，而且是实际地址。

所以，应该记住的是那两个条件，在你还不能真正理解拷贝的意义之前最好不要用这个术语。

call_by_val_ptr

这种方式，本来是可以完成交换的，因为我们可以用指针来指向实际地址，这样我们就满足了条件1：

要有实际地址。

别着急，我们先看下上文的实现中，为什么没有完成交换：

void call_by_val_ptr(int * p,int * q) {
    push   %rbp
    mov    %rsp,%rbp
    mov    %rdi,-0x18(%rbp)
    mov    %rsi,-0x20(%rbp)
    
//int * t = p;
    mov    -0x18(%rbp),%rax
    mov    %rax,-0x8(%rbp)
    
//p = q;
    mov    -0x20(%rbp),%rax
    mov    %rax,-0x18(%rbp)
    
//q = t;
    mov    -0x8(%rbp),%rax
    mov    %rax,-0x20(%rbp)
}

可以看到，上面的逻辑和call_by_val非常类似，也只是做了将值放到寄存器这件事，那么再看下传给它的参数：

call_by_val_ptr(&a,&b);
 
// 对应的汇编代码
lea    -0x18(%rbp),%rdx
lea    -0x14(%rbp),%rax
mov    %rdx,%rsi
mov    %rax,%rdi
callq  4008ec <_Z15call_by_val_ptrPiS_>

注意到，lea是取地址，所以这里实际也是将地址传进去了，但为什么没有完成交换？

因为不满足条件2：将值存入实际地址。

call_by_val_ptr中的交换，从汇编代码就能看出，只是交换了指针指向的地址，而没有通过将值存入这个地址而改变地址中的值。