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C/C++ 站在汇编的视角看待引用和指针

这篇文章结合具体的汇编代码，讲解引用和指针的区别。

站在汇编的角度看待指针和引用

在C++中，我们可以使用引用或指针作为函数参数。以下是两种方法的示例：


// 使用引用作为参数
void swap_ref(int& a, int& b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

// 使用指针作为参数
void swap_ptr(int* a, int* b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

在这两个函数中，我们都可以交换两个整数的值。但是，使用引用作为参数时，我们可以直接操作变量，而不需要解引用。使用指针作为参数时，我们需要解引用指针才能操作变量。

对于这两个函数的汇编实现，我们可以使用gcc的-S选项来生成汇编代码。以下是上面两个函数对应的汇编实现：


// 使用引用作为参数的汇编实现
swap_ref(int&, int&):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     QWORD PTR [rbp-24], rdi
        mov     QWORD PTR [rbp-32], rsi
        mov     rax, QWORD PTR [rbp-24]
        mov     eax, DWORD PTR [rax]
        mov     DWORD PTR [rbp-4], eax
        mov     rax, QWORD PTR [rbp-32]
        mov     edx, DWORD PTR [rax]
        mov     rax, QWORD PTR [rbp-24]
        mov     DWORD PTR [rax], edx
        mov     rax, QWORD PTR [rbp-32]
        mov     edx, DWORD PTR [rbp-4]
        mov     DWORD PTR [rax], edx
        nop
        pop     rbp
        ret

// 使用指针作为参数的汇编实现
swap_ptr(int*, int*):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     QWORD PTR [rbp-24], rdi
        mov     QWORD PTR [rbp-32], rsi
        mov     rax, QWORD PTR [rbp-24]
        mov     eax, DWORD PTR [rax]
        mov     DWORD PTR [rbp-4], eax
        mov     rax, QWORD PTR [rbp-32]
        mov     edx, DWORD PTR [rax]
        mov     rax, QWORD PTR [rbp-24]
        mov     DWORD PTR [rax], edx
        mov     rax, QWORD PTR [rbp-32]
        mov     edx, DWORD PTR [rbp-4]
        mov     DWORD PTR [rax], edx
        nop
        pop     rbp
        ret

从汇编代码中，我们可以看到两个函数对应的汇编代码是一样的。这是因为在C++中，引用实际上就是一个常量指针。所以，无论我们是使用引用还是指针，底层的实现都是通过地址来访问和修改变量的值。

常量指针

在C++中，引用被设计为对象的一个别名，它就像是对象的另一个名字。一旦一个引用被初始化为一个对象，它就不能被改变为另一个对象的引用。因此，引用总是引用同一个对象。这就是为什么说引用是一个常量指针。

在底层实现上，引用就是一个常量指针。也就是说，它是一个指针，但是你不能改变它的值（即它指向的对象）。这就是为什么你不能改变引用的引用对象，因为这实际上就是在试图改变一个常量指针的值，这是不允许的。

例如，考虑以下代码：


int x = 10;
int& ref = x;

在这里，ref是一个引用，它被初始化为x。在底层，ref实际上是一个指向x的常量指针。因此，你不能改变ref的引用对象，就像你不能改变一个常量指针的值一样。

引用的本质

实际上可以将引用理解为在指针的基础上加了一些限制。在C++中，引用可以被看作是一种特殊的指针，它们都可以用来间接访问变量，但是引用有一些额外的限制：

  • 引用必须在创建时初始化，而指针可以在任何时候初始化。
  • 一旦引用被初始化为一个对象，它就不能被改变为另一个对象的引用。换句话说，引用总是引用同一个对象。而指针可以改变指向。
  • 引用不能为NULL，而指针可以。

这些限制使得引用在某些情况下比指针更安全和更易于使用。

引用的实现是依赖于编译器的。在大多数C++编译器中，引用实际上是通过指针来实现的。当你创建一个引用并初始化它时，编译器在底层创建了一个指针，并将这个指针初始化为指向你指定的对象。然后，每当你使用这个引用时，编译器都会自动解引用这个指针。因此，从这个角度来看，你可以将引用看作是一个自动被解引用的常量指针。

引用不能为空的实现是通过在创建引用时必须进行初始化来实现的。在C++中，你不能创建一个没有初始化的引用。这意味着你不能创建一个引用，然后稍后再让它引用一个对象。引用必须在创建时立即引用一个对象。因此，引用总是引用一个有效的对象，不能为NULL。

为什么C语言只有指针没有引用

C语言没有引用的原因主要是因为C语言在设计时，主要目标是为了系统编程和硬件操作，而不是为了提供高级抽象。C语言提供了指针，可以直接操作内存，这对于系统级编程非常有用。

另一方面，C++引入了引用的概念，主要是为了支持操作符重载和其他高级特性。引用在某些情况下可以使代码更易读和易写，但是它也增加了语言的复杂性。在C语言中，由于没有这些高级特性的需求，因此没有引入引用的概念。

总的来说，C语言没有引用主要是因为它的设计目标和使用场景。C语言主要用于低级编程，直接操作内存，而不需要引用这样的高级抽象。

什么时候使用引用传参数什么时候用指针传递参数？

在C++中，选择使用引用还是指针传递参数主要取决于具体的使用场景和需求。以下是一些考虑因素：

  • 语义清晰：引用在语义上更接近于别名，使用引用可以使代码更易读和易写。而指针则需要考虑解引用和空指针等问题。
  • 安全性：引用在创建时必须被初始化，并且一旦被初始化后就不能改变引用的对象。这使得引用在某些情况下比指针更安全。
  • 功能：指针提供了引用不能提供的功能，例如动态内存分配、指针算术运算、指向指针的指针等。

总的来说，如果你需要修改传入的参数，并且不需要关心参数是否存在（即参数不会是空），那么使用引用可能是更好的选择。如果你需要进行更复杂的内存操作，或者可能需要处理空参数，那么使用指针可能更合适。

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