C++ 中的引用的使用和原理

C++引用的使用和原理 -- 从汇编的角度看引用的实现

C++ 引用的概念和使用

C++ 引用概念

引用（Reference）是 C++ 相对于C语言的又一个扩充。

引用可以看做是数据的一个别名，通过这个别名和原来的名字都能够找到这份数据。引用类似于 Windows 中的快捷方式，一个可执行程序可以有多个快捷方式，通过这些快捷方式和可执行程序本身都能够运行程序；引用类似于人的绰号，使用绰号和本名都表示同一个人。

引用的本质 引用在C++中作为一个重要的特性，提供了一种变量的间接引用方式。本质上，引用是某个变量的一个别名，对引用的所有操作都是直接作用于它所引用的变量。

C++ 引用的语法

定义和初始化引用 引用的定义必须同时进行初始化，这一点与指针不同。一旦一个引用被初始化后，它就不能再引用另一个对象，即引用是不可变的。

data_type &variable_name = value;

//data_type表示数据类型，比如int、char等等； //variable_name表示“引用”的名称； //value表示被引用的数据。

/* int a = 10; int &b = a; */

引用作为参数

引用作为函数参数 引用常用于函数参数列表中，使得函数能够修改传入的参数本身，而不仅仅是它们的副本，这样可以提高效率，尤其是在传递大型数据结构时。

cpp void increment(int &num) { num++; }

此外，使用引用传递可以避免拷贝构造的开销，尤其是对于大型对象或容器来说，这一点非常重要。

常引用 常引用（const reference）是引用的一种特殊形式，它不允许通过引用修改数据，但可以引用一个常量。常引用对于保证函数中的参数不被修改非常有用，同时还能享受到引用传递的效率优势。

cpp void printReference(const int &value) { 
    std::cout << value << std::endl; 
 }

引用作为返回值

引用作为函数返回值 引用可以作为函数的返回值，但返回的引用必须指向一个在函数外部仍然存在的对象，通常是函数外的静态对象或全局对象，或者是作为参数传递给函数的对象。返回局部变量的引用是不安全的，会导致未定义行为。

int& func(int &x) { 
    x++; 
    return x; // 返回引用是安全的，因为x是外部传入的 
} 
int& badFunc() { 
   int a = 10; 
   return a; // 错误，返回局部变量的引用 
}

引用与指针的区别

引用与指针的区别 引用和指针都可以用来在不同的上下文中引用或访问变量或数据，但它们之间有一些关键的区别：

• 初始化和可变性： 引用必须在定义时初始化，并且一旦指向一个变量，就不能改变。指针可以在任何时候初始化，并可以改变所指向的对象。
• 使用语法： 引用的使用更像是使用普通变量，不需要解引用。指针需要显式解引用来访问目标数据。
• 安全性： 引用比指针更安全，因为引用保证了引用的对象总是有效的，而指针可能为空。

结论

引用是C++中的一个强大特性，它提供了一种有效的方式来操作数据，同时保持代码的清晰和简洁。正确理解和使用引用，特别是在函数参数和返回值中使用引用，可以显著提高程序的效率和质量。不过，使用引用时也需要谨慎，尤其是避免返回局部变量的引用，以防止未定义行为的发生。

引用是怎么实现的

测试函数代码

我们写两个文件 swap1.cpp 和swapp2.cpp. 分辨实现连个函数，swap 和 sayHello. 一个指针版本，一个引用版本。

然后反汇编看下 汇编的代码

汇编代码

swap 的函数的汇编代码。代码在指令上基本一致。

1. 基本设置和标记：

   • .file "swap1.cpp"：声明源文件。
   • .text：指明接下来的段是代码段。
   • .Ltext0：局部标签，用于代码段的开始。 在很多汇编文件中，.Ltext0 表示代码段的开始，而 .Letext0 则对应该段代码的结束。这有助于编译器或链接器识别代码的边界，特别是在多个文件或多个段被整合在一起的情况下。“L” 通常表示局部（local）标签，.text0 指的是代码段（text segment）的一个分区。
   • .globl _Z4swapPiS_：声明 _Z4swapPiS_ 函数是全局的，可以被其他文件中的代码引用。
   • .type _Z4swapPiS_, @function：标明 _Z4swapPiS_ 是一个函数。

2. 函数开始：

   • _Z4swapPiS_:：函数的开始标记。 - .LFB0:：局部函数开始的标签。
   • .cfi_startproc：标记函数的开始，用于调用栈帧信息的生成。
   • endbr64：一个特定于 x86-64 架构的指令，用于防止恶意软件通过代码复用攻击。
   • pushq %rbp：将基指针寄存器（rbp）的值压入栈中。
   • .cfi_def_cfa_offset 16 和 .cfi_offset 6, -16：调整调用帧信息。
   • movq %rsp, %rbp：将栈指针（rsp）的值复制到基指针（rbp）中，为新的栈帧设置基指针。

3. 函数主体：

   • movq %rdi, -24(%rbp) 和 movq %rsi, -32(%rbp)：将函数的两个参数（两个指针）从寄存器（rdi 和 rsi）存储到栈帧的局部变量位置。
   • movq -24(%rbp), %rax：将第一个参数的地址加载到 rax 寄存器。
   • movl (%rax), %eax：将第一个参数指向的整数值加载到 eax 寄存器。
   • movl %eax, -4(%rbp)：将这个值暂存到栈上。
   • movq -32(%rbp), %rax 和 movl (%rax), %edx：加载第二个参数指向的整数值到 edx 寄存器。
   • movq -24(%rbp), %rax 和 movl %edx, (%rax)：将 edx 的值（即第二个参数的值）存储到第一个参数指向的位置。
   • movq -32(%rbp), %rax 和 movl -4(%rbp), %edx：将暂存的第一个参数的原始值从栈加载到 edx，然后存到第二个参数指向的位置。

4. 函数结束：

   • nop：无操作指令，通常用于对齐或填充。
   • popq %rbp：恢复之前存储的基指针寄存器的值。
   • .cfi_def_cfa 7, 8 和 ret：调整调用帧信息并返回到调用者。
   • .cfi_endproc：标记函数的结束，用于调用栈帧信息的结束。
   • .LFE0: 和 .size _Z4swapPiS_, .-_Z4swapPiS_：函数结束的标签和函数大小信息。LFE0:是一个标签，用于标记函数Z4swapPiS的结束。LFE表示 "Local Function End"，即本地函数结束。数字0与函数的起始标签 .LFB0（Local Function Begin 0）相对应，这样就成对标记了函数的开始和结束。

可以看到 在汇编指令上指针版本和引用版本基本一致。不同的地方并不影响汇编指令，只是一些代码注释和函数命名。差异的解释看下面

sayHello 函数的代码。swap 是引用作为函数参数，sayHello 函数是普通的引用变量， 从sayHello 函数上更能看出来汇编指令的一致性。

C++ 的名字改编

从截图上看 汇编代码的差异主要有两点，一个是函数的名字，一个是loc 字段。

loc 字段标记指令在代码中的位置。

在C++ 中，函数名字经过编译器编译后由于修改。用于支持函数重载和模板。这也是为什么 C代码需要 extern C 声明的原因。extern C 声明的C 函数 g++ 编译时 不修改函数名字。

1. 函数命名:

   • _Z4swapPiS_ 的解释 - 这种命名方式称为名字改编（Name Mangling），C++ 中用于支持函数重载和模板等特性。

   • _Z: 表示这是一个 mangled 名字的开始。

   • 4swap: 表示接下来的函数名是 swap，前面的数字 4 表示名称的长度。

   • PiS_: 编码的参数类型，P 表示指针，i 表示 int 类型，S_ 是复用前面的 int 类型参数。因此，PiS_ 表示函数接受两个 int* 类型的参数。

   • RiS: 表示函数参数。R 指的是引用，i 表示 int 类型，S_ 复用了前面的 int 类型。因此，RiS 指函数接受两个 int&（即两个整数引用）作为参数。

在函数的命名上和JNI 有类似的做法，通过函数名字实现函数签名

2. loc 字段含义

• .loc 指令用于指定源代码中的位置，格式通常为 .loc file line column。这有助于调试过程中的错误定位和源代码的步进。
• 例如，.loc 1 2 9 表示当前指令对应于源文件中第一文件（由前面的 .file 1 "/path/to/file" 指定），第2行，第9列。

指针函数是 Z4swapPiS

引用函数是 Z4swapRiS

可以看出 C++ 引用是指针的一个语法糖，在编译器处理后和指针的实现是一样的。