C++ 引用分析

引用

• 左值引用，建立既存对象的别名
• 右值引用，可用于为临时对象延长生命周期
• 转发引用，保持函数实参的类别
• 悬置引用，对象生命周期已经结束的引用，访问改引用为未定义行为
• 值类别，左值，纯右值，亡值
• std::move, std::forward

类型推导

引用塌缩（折叠）

可以通过模板或者 typedef 中的类型操作构成引用的引用，但是C++不认识多个& 的，所以就产生一个规则，左值引用 &， 右值引用 &&，在结合的时候，可以把左值引用看作是显性基因，只要有左值引用，那么结合就折叠成左值引用，要两个都是隐形基因（&&）的情况，才不会进行折叠。

typedef int&  lref;
typedef int&& rref;
int n;
lref&  r1 = n; // r1 的类型是 int&
lref&& r2 = n; // r2 的类型是 int&
rref&  r3 = n; // r3 的类型是 int&
rref&& r4 = 1; // r4 的类型是 int&&

右值引用作为函数实参 的类型推导

1. 左值引用 (模板参数为右值引用).
2. 左值（普通函数调用）

写个小例子就可以看出效果了，普通函数的情况如下，模板的示例见 std::forward 分析

int foo(int &&arg) { std::cout << "int &&\n"; }  // 不会被调用

int foo(int &arg) {std::cout << "int &\n";}   // 两个函数只能存在一个
// int foo(int arg) { std::cout << "int\n"; }

int main() {
    int &&rref = 1;
    foo(rref);  // int 或者 int &
}

指针与引用的联系与区别

指针和引用经常会一起出现，个人的理解

1. 指针，存储地址的变量，能够存储任何的地址，自身也需要分配内存，比如 nullptr，并且能够任意修改（无cv限定情况）。
2. 引用，对象或者函数的别名，必须初始化且不能修改，语义上不分配内存，故指针不能指向引用，反之，引用可以绑定指针（指针自身是具名对象）。但在实现上（gcc）还是会分配内存

通过一个例子就可以看的很清楚，两者都是 访问地址 来实现的，但由于历史原因我们一说到地址就会想到指针。

void ref() {
    int value = 13;
    int &lref = value;
    lref = 9;

    int *p = nullptr;
    p = &value;
    *p = 21;
}

_Z3refv:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    pushq	%rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq	%rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    movl	$13, -20(%rbp)
    leaq	-20(%rbp), %rax  # 取 value 的地址 &value
    movq	%rax, -8(%rbp)   # 将 value 的地址转移，这两步可以不需要的
    movq	-8(%rbp), %rax
    movl	$9, (%rax)       # 赋值 lref = 9
    movq	$0, -16(%rbp)    # 指针初始化
    leaq	-20(%rbp), %rax  # 同上，取地址
    movq	%rax, -16(%rbp)
    movq	-16(%rbp), %rax
    movl	$21, (%rax)      # 赋值 *p = 21
    nop
    popq	%rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc

在使用上来说，引用优于指针的地方在于，引用避免了空指针的判断，并且在使用上和值语义相近。

google 的 coding style 上也有针对引用和指针参数的规范，入参如果不能够被改变的话，使用 const T &，如果是需要使用指针或者参数可变的情况下使用指针入参。

// 形式如下
void do_something(const std::string& in, char *out);

左值引用和悬置引用

左值引用的定义清晰，就是既存对象的别名，当作披着地址的皮来使用就可以，并且也能延长生命周期（const T & 接收），见延长右值引用分析。

悬置引用在使用不当的时候可能出现，如下

struct Foo {
    Foo() : value(13) {}
    ~Foo() { value = -1; }
    int value;
};

Foo &get_foo() {
    Foo f;
    return f;
}

int main() { Foo &f = get_foo(); }

// 反汇编，只截取 get_foo()
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	pushq	%rbx
	subq	$24, %rsp
	.cfi_offset 3, -24
	leaq	-20(%rbp), %rax  // 对象 f 的地址
	movq	%rax, %rdi       // 构造函数的隐藏参数
	call	_ZN3FooC1Ev      // 调用构造函数
	movl	$0, %ebx
	leaq	-20(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooD1Ev      // 析构函数
	movq	%rbx, %rax       // 最后返回的是 rax（rax = rbx），但是这个 rbx 是没有来源的，访问直接段错误
	addq	$24, %rsp
	popq	%rbx
	popq	%rbp
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc

当出现这种悬置引用的时候，再去访问就不知道是什么错误了，好消息是编译器可以识别这个问题并且发出警告的。

右值引用

右值引用就是为了延长生命周期而生的，这里再扯一下，左值引用也是可以做到这一点的，但是不能够通过左值引用修改。

拿一下 cppreference 中的例子，右值引用是通过 && 使得编译器指令重排而延长生命周期的，而左值引用是 const T & 进行py交易的，

在以上函数增加一个友元函数，重载 + 操作符。

friend Foo operator+(const Foo &lhs, const Foo &rhs) {
    Foo foo;
    foo.value = lhs.value + rhs.value;
    return foo;
}

int main() {
    Foo f1;
    const Foo &lref = f1 + f1;
    // rf.value = 1;

    Foo &&rref = f1 + f1;  // 临时变量 f1 + f2 的引用
    rref.value = 4;        // 相同
}

// 反汇编取重载函数和main函数代码
_ZplRK3FooS1_:
.LFB6:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	subq	$32, %rsp
	movq	%rdi, -8(%rbp)  // rdi 是构造函数的第一个参数，当函数返回对象时，就是这样做的
	movq	%rsi, -16(%rbp) // lhs
	movq	%rdx, -24(%rbp) // rhs
	movq	-8(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooC1Ev     // 调用构造函数
	movq	-16(%rbp), %rax
	movl	(%rax), %edx    // lhs.value
	movq	-24(%rbp), %rax
	movl	(%rax), %eax    // rhs.value
	addl	%eax, %edx      // edx = lhs.value + rhs.value
	movq	-8(%rbp), %rax
	movl	%edx, (%rax)    // foo.value = edx
	nop
	movq	-8(%rbp), %rax  // return foo
	leave
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc

main:
.LFB8:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	subq	$32, %rsp
	leaq	-28(%rbp), %rax   // 取 f1 的地址
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooC1Ev       // Foo f1;
	leaq	-24(%rbp), %rax   // 重载函数内的 临时对象，当重载函数返回对象时，编译器便把对象指针传进去
	leaq	-28(%rbp), %rdx   // rhs,f1
	leaq	-28(%rbp), %rcx
	movq	%rcx, %rsi        // lhs,f1
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZplRK3FooS1_     // 调用重载函数
	leaq	-24(%rbp), %rax
	movq	%rax, -8(%rbp)
	leaq	-20(%rbp), %rax   // 第二次调用的重载函数内的 临时对象指针
	leaq	-28(%rbp), %rdx   // rhs,f1
	leaq	-28(%rbp), %rcx
	movq	%rcx, %rsi        // lhs,f1
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZplRK3FooS1_     // 第二次调用重载函数
	leaq	-20(%rbp), %rax   // 这两个值是相等的，也就是返回的临时对象指针
	movq	%rax, -16(%rbp)
	movq	-16(%rbp), %rax
	movl	$4, (%rax)        // rref.value = 4;
	leaq	-20(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooD1Ev       // 析构函数被移动到作用域之外也就是main函数里面了
	leaq	-24(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooD1Ev
	leaq	-28(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZN3FooD1Ev
	movl	$0, %eax
	leave
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc

可以看到 && 和 const T & 产生的汇编代码几乎是一样的，两者都提供了常量引用的语义，是编译器的实现也在函数返回对象的情况下模糊了这两者的区别（生成汇编代码），所以在有些情况下，在未提供 f(T &&) 重载则会调用 f(const T &)。但是区别在于常量左值引用是不可修改的。

一些函数提供了两个引用的重载版本，如 std::vector::push_back()，允许自动选择copy构造函数和移动构造函数。

值类别

1. 左值
   
   简单粗暴的理解就是在操作符的左边的表达式，但是C++的概念比较的多，例如，++i 这个是左值，i++ 就是纯右值了，字符串常量也没有想到是左值吧，因为不能修改，所以不能存在于表达式的左边。
   
   cppreference 中的概念陈述的非常多，简单而言就是有分配内存的对象就是左值，只有这种情况才能够用于初始话左值引用（字符串常量，const char *）。

2. 纯右值
   
   取不到地址的表达式，如内建类型值，this指针，lambda

3. 亡值
   
   差不多可以理解为，作为一个临时量，内存中存在数据，如果不延长生命周期的话，该对象就会被销毁。std::move 产生的就是亡值。

然后上面的种类繁多，又有混合类别产生：

• 泛左值，左值和亡值，也就是内存有数据的对象
• 右值，纯右值和亡值，不能被左值引用绑定的对象

std::move std::forward

std::move

右值引用变量的名称是左值，而若要绑定到接受 右值引用参数的重载，就必须转换到亡值，这是移动构造函数与移动赋值运算符典型地使用 std::move 的原因。

函数名称和目的相关，但内部实现没有什么移动的操作，就一个转换类型，见 libstdcxx 源码。

template<typename _Tp>
  constexpr typename std::remove_reference<_Tp>::type&&
  move(_Tp&& __t) noexcept
  { return static_cast<typename std::remove_reference<_Tp>::type&&>(__t); }

std::forward

转发引用利用 std::forward 保持实参值类型进行完美转发，完美转发详细的说一下，它的实现也不是很复杂，有两个重载函数，实际上都是类型转换，

// 转发左值为左值或右值，依赖于 T
template <typename _Tp>
constexpr _Tp &&
forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type &__t) noexcept {
    return static_cast<_Tp &&>(__t);
}

// 转发右值为右值并禁止右值的转发为左值
template <typename _Tp>
constexpr _Tp &&
forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type &&__t) noexcept {
    static_assert(!std::is_lvalue_reference<_Tp>::value,
                  "template argument substituting _Tp is an lvalue reference type");
    return static_cast<_Tp &&>(__t);
}

参考上面的 引用折叠 ，以下给定例子的参数类型推导：

template <typename T> void foo(const T &arg) { std::cout << "const T &\n"; }
template <typename T> void foo(T &arg) { std::cout << "T &\n"; }
template <typename T> void foo(T &&arg) { std::cout << "T &&\n"; }

template <typename T> void wrapper(T &&arg) { foo(std::forward<T>(arg)); }

int main() {
    Foo f1;
    const Foo f2;
    wrapper(f1);      // T &
    wrapper(f1 + f1); // T &&
    wrapper(f2);      // const T &
}

• 若 wrapper 调用的入参为右值，则 T 被推导为 Foo, 这样 std::forward 就把右值引用转发给 foo
• 若 wrapper 调用的入参为const限定左值，则推导 T 为 const Foo &，在引用折叠下 std::forward 将 const 左值引用传递给 foo
• 若 wrapper 掉用的入参为非const左值，则推到 T 为 Foo &，在引用折叠下 std::forward 将非 const 左值引用传递给 foo

另外，对类型的推导过程都是在编译期完成的，不同的限定或者引用类型的c++代码生成的汇编代码没有区别，为了编译期匹配到正确的函数调用。

参考

1. 引用声明，cppreference 引用声明。