C++引用的实现

当我学习C++引用时，听到的第一句话是“引用是变量的别名，不像指针一样需要占用内存空间”。然而学到深处，发现此话并不完全正确。

本文主要介绍我如何通过实验来了解到C++引用的实现，其实引用的内部就是指针。当然这也于编译器有关，所以这里需要提及一下测试所用的编译器及环境。

测试环境是MinGW的g++ 8.1.0，64位编译器，64位的机子。所以指针的大小是8个字节，即64个bit。（注：因为目的是测试，所以测试时并没有处理对new操作符所产生对象的回收）

首先我写出了如下代码，试图通过指针偏移来获取有关引用的信息：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    int64_t x;
    string& str = *new string();
    int64_t y;

    cin >> str; // 对引用做一次操作，避免编译器把变量优化掉

    cout << &x << endl;
    cout << &y << endl;
    cout << str << endl;

    return 0;
}

然而，这个程序的输出如下（str的输出忽略）：

0x61fe00
0x61fdf8

难道引用真的不占内存？编译器真的很聪明，可能优化掉了吧；经过一系列尝试，我写出了另外一段代码：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

void foo(int64_t q, string& s, int64_t r) {
    cout << "&q: " << &q << endl;
    cout << "&r: " << &r << endl;

    cout << "*(string**)(&q + 1): " << *(string**)(&q + 1) << endl;
}

int main()
{
    string& str = *new string();
    cout << "main(): " << &str << endl;
    foo(0, str, 0);
    return 0;
}

这段代码的输出是：

main(): 0x1e1bd0
&q: 0x61fde0
&r: 0x61fdf0
*(string**)(&q + 1): 0x1e1bd0

可见，q的地址是0x61fde0，r的地址是0x61fdf0。两个地址间相差16个字节！这里引用占用的内存出来了。显然引用对应的指针存储在q的8个字节之后。我们可以将q的地址加1，也就是加上8个字节，这里存储的就是引用的信息。假设它就是指针，那么考虑：(&q + 1)本身是一个指向string*的指针，也就是string**。所以若要获取指针的值，需要对这个值解一次引用，输出出来。（当然如果你想简单一点，可以直接把它转成int64_t然后用16进制输出亦可）

至此真相大白，程序输出的最后一行0x1e1bd0与主函数中new出来的对象的地址（见输出第一行）一致。所以得出结论：引用是用指针实现的。用户对引用的访问操作都内含一次解引用，而这对用户来说是透明的。

不过需要提及的是，回想本文的第一个测试，发现引用的指针空间被优化掉了。所以引用有时也不一定会在栈上真正以指针体现出来。