CPU眼里的:引用_引用了0×0000 内存

“看似相似的指针与引用，其实承载着截然不同的设计哲学。掌握它们，才能真正理解程序与内存的对话”

01 提出问题

你有没有发现有些语法规则，它们的作用看上去非常相似，但在编写起来又大相径庭的情况呢？其中最典型的例子，或许就是：引用和指针了。引用和指针到底有什么差异？这可能是一个在语法层面，颇难解释清楚的问题，但在CPU眼里，却根本就不是一个问题，因为它们几乎没有任何区别。

02 代码分析

话不多说，打开Compiler Explorer，让我们编写一个简单的函数func1，定义一个指针变量p，用来改变变量a的值；然后我们再编写一个相似的引用版本的函数func2，如图所示。

老规矩，不要理会每条CPU指令的具体含义，我们只比较两个函数对应的CPU指令差异，如你所见，它们完全相同！

我们定义的引用变量r，实际上是在定义一个指向变量a的指针p；我们对引用变量r的读、写操作，实际上是指针变量p的*读、*写操作。

或许，你还不能接受这个现实，没有关系。让我们再写一个简单的传指针的函数func3；再写一个传引用的函数func4；最后作一个call函数的调用，如图所示。

如你所见，不仅两个函数func3、func4的函数体，而且它们的调用部分，对应的CPU指令都完全相同！

所以，跟有指针参数的函数func3一样，在函数体func4里面，改变变量r的值，一样会影响到函数外变量a的值。至于指针参数，是如何改变函数外变量a的值？可以参看“CPU眼里的参数传递”中的详细讲解。

至此，结论已经非常明显了，在CPU眼里，指针和我们常见的“左值引用”几乎没有任何区别。“左值引用”可以做到的事情，用指针都可以做到。如果非要说说它们的区别的话，我想主要集中在下面这些语法规则的层面：

1. 引用显得更加简洁，特别是在读、写的时候，不需要像指针那样，加上*号操作。
2. 指针可以被赋值成NULL：int*p = NULL，但引用不行：int &r = NULL。
3. 指针可以随时改变它所指向的变量；而引用不能随意改变它所引用的变量，否则，会被视为重新定义了一个已经存在的引用变量。
4. 指针存在“指针的指针”；而引用则不存在“引用的引用”。

03 总结

1. “引用变量”也是变量，在底层实现上面，跟“指针变量”完全相同。

2. “引用变量”也被称为某个变量的别名，这非常形象。但似乎很难解释为什么在函数func4中改变r的值，会同时改变外部变量a的值。但如果你把“引用”当作“指针”看待的话，这个问题就迎刃而解了。

04 热点问题

Q1：C语言也支持：“引用”这个语法规则吗？

A1： 不支持的，引用这个语法规则，是在C++才被支持的。但如你所见，所有的引用，都可以通过指针来达到相同的效果；但引用在使用起来，会简洁不少，更像是一个语法糖。

Q2：引用的本质是“指针常量”吗？例如：int* const p = &a

A2：非常精彩的总结！二者确实有许多相似之处，但它们在语法上也存在一些关键差异。例如，引用不能初始化为nullptr，也不支持间接引用（即 * 操作）。下面是引用与各种指针之间的对比，供大家参考和比较：

Q3：“引用”、“直接引用”、“间接引用”的区别是什么？

A3：很好的问题！由于翻译的原因，计算机中经常出现一些一词多义的情况。“引用”在被当作“变量”使用的时候，引用是一个名词，表示一个变量；当“引用”用来作读、写数据的时候，它是一个动词，对于普通变量，往往可以直接读、写，也叫“直接引用”；但对于指针变量，读、写指针所指向的内存时，往往使用“间接引用”的读、写方式，也就是 * 操作。

Q4：C++里面还有“右值引用”、“万能引用”、“引用折叠”，它们也能用指针来解释吗？

A4： 非常好的问题！用本文提供的方法，你会发现“右值引用”，在底层实现上，跟“左值引用”和指针，也非常相似。同样的方法，你也可以分析出：“万能引用”、“引用折叠”的底层实现。

当然，穷举所有的C++语法规则，并不是本书的特点。除杂去冗，化繁为简，才是本书的意义所在。

C++的语法规则复杂、繁琐，而且还在不断变化、扩展；但底层实现，则相对简单、统一。就像全球有上亿个不同功能的网站，但后台可能都在做一类事情：增、删、改、查。

今天在LLVM的支持下，我们很容易创造出一种新的编程语言或语法规则，但底层的机器汇编部分，可能完全不用调整。

我相信未来还会有更多的语言诞生、C++还会涌现更多的语法规则，但只要我们理解底层的实现逻辑，“眼中有代码，心中有指令”，就能快速领悟语法精髓，以不变应万变。

05 更多知识

如果喜欢阿布这种解读方式，希望更加系统学习这些编程知识的话，也可以考虑看看由阿布亲自编写，并由多位微软大佬联袂推荐的新书《CPU眼里的C/C++》

心中藏奥义，指下写乾坤！