C++ Reference 的“三位一体”诠释

C++ 是介于汇编语言与高级语言之间的一种“全能”语言。它的能力是其他任何基于VMA（冯-诺曼架构）计算机的高级程序设计语言无法望其项背的，而性能也只有C语言可与之伯仲。

然而长期以来，喜欢C++和憎恨C++的阵营，恶斗了三十多年，谁也说服不了谁。其中的一个重要原因是：C++的逻辑和语意难以分割，计算机学术界很难把它形式化（比如具有像Haskell那样的数学美）， 这和量子力学里的不确定性类似，爱因斯坦就对此讨厌之极。

这里我不想评论两方的对错，但是我想就C++的一个最基本的概念，也是最重要的概念之一的“reference",作一番论述，看看是否说得通。

读者如果读过拙文“ http://blog.csdn.net/ly8838/article/details/38638491”，可能会对reference微妙的一面有所共鸣的。这里我想进一步谈谈reference的一些细节。

要想叙述reference,我们不得不从更基本的定义 - 直接对象（direct object）说起.

C++中，直接对象是“常规变量”（normal variable）, 具有“值语意”（value semantics），和rvalue 语意。 这还没有引入reference,就已经陷入逻辑上“循环定义”的怪圈了。要想跳出，只有举例：

long x;

MyClass m;  // MyClass is a user defined class

上面x和m都是“直接变量”，它们在内存中的区域可以不同：可以在程序的静态空间（全程变量），可以在工作堆栈内（自动变量），也可在动态空间内（间接地包含在母object中）。由于所在区域不同，这些直接变量对程序性能的特征影响很大（以后的博克会提及）。但是最重要的，是它们和传统的“基本型变量（primitive type variable）”在语法和用法上的相似。这是C++为何会支持它的重要原因。

对于首先学习C#,JavaScript, 或其他现代语言的程序员来说，“直接变量”几乎没有对应的概念。而更加令人不解的是，在“动态空间（heap）”中，直接变量只能“间接”地存在。而能够“直接使用”动态变量"的唯一方法只有“指针”和“reference”. 这里又陷入了循环：解释直接变量时，又无法绕开“指针”和“reference”。

那么reference到底是什么呢？看看微基的解释，（http://en.wikipedia.org/wiki/Reference_(C%2B%2B)），它几乎也是同意反复，最后只有用“比喻”来解释。也就是说，不用“指针”，“内存地址”等概念就无法解释。

那么，通俗上的说法“reference 是变量的alias (同体异名？)”是否说得通呢？

我认为，对于初学者来说，alias可谓最好的“比喻”。请看：

int x = int(10);           // line1

int & r = x;                // line2: r is an alias of x

r++;                         // line3: x is now 11

r = 3;                       // line4: x is now 3

assert (&r == &x);     // line5: r points to x

我们看到，上面的程序显示，r 和 x 几乎没任何区别，好像是形影相随，难分难舍。这正是C++的宗旨：让reference的变量和直接变量具有“等同”的语法，用法。

作为初级程序员来说，知道到这个用法也就够了，但是“一点点知识是危险的”。如果我们以为x 和 r 是一个东西，那就错了：

首先，x 是“直接变量”，而r是间接变量，所以它们在语意上是完全不一样的（编译出来的代码大相庭径）。你可以说这与我无关，会应用就行了，这也不错，不过并不能高枕无忧：在另一个环境里，你可能就会因为不清楚object reference 和 direct object 的区别而出错，或是写出性能差别极大的程序。

从语意上看，line2 几乎等于 r = &x (取x的地址），无怪乎许多人认为 reference 其实就是指针， 而且line5证明它的确指着它的“直接变量”。知道这一点，对于下列代码很重要：

class X {…}

void myXFunction(X x) {…}

void myXFunction2(const X & x) {…}

如果认为X& 是 X 的“alias”,而且用法一样， 那么你可能不需要myXFunction2,但是如果你知道X&的语意和X * 一样，你才会推论出myXFunction2的性能一般会比myXFunction好，特别是当X里面包含大量“成员”时，myXFunction2不用copy 内容，只需copy地址 （我们说这是浅拷贝- shallow copy）, 而myXFunction必须传入的内容copy 到argument变量中（我们说这是深拷贝- deep copy）。

在这里，语意盖过了逻辑。const X &x 的用法，特别是语意，最好用指针来诠释才说得过去。

好吧，那就说reference是指针吧，可是它又不能解决上面程序line4的用法：

因为对一个指针赋值会使得它改变指向。r 若为指针，line4 会使得 r 指向地址为 3 的内存元，这和 alias 的概念又风马牛不相及。

幸运的是实际情况并非如此：r 没变（指向没变），倒是 x 变了，在这个用例中，对 r 的 alias 诠释从语法和语意上都双双胜过了指针诠释。

综上所述，reference 就像一个具有“波粒二象性”的光子， 它具有“pointer-alias” 二象性，不从语法-用法-语意的三方面理解，无法认识 reference 的真谛。

如果仅有二象也就罢了，OOP （C++ 支持OOP）有一个重要的概念，叫 polymorphism, 说的是一个“变量”其实可以是同时代表“基类”和其衍生类（derived  class）：它既可以是A也可以是B（假设A是B的基类）（又是典型的量子悖论）。而这种 polymorphic 的变量，只能是指针和 reference，不可能是“直接变量”。这一特征又给 reference 加了另一顶帽子：polymorphic variable, 通俗说的话，它是具有同时拥有不同身份的“怪物”。这里的详情下次再谈论。

为什么polymorphic variable只能是指针和reference呢？我个人认为，这无法用形式逻辑和常规逻辑来解释，只能用指针的性质和C++ 的object model内存结构来解释 - 这又是一个语意层面才能自圆其说的概念，是C++量子特性的另一佐证。以后我会用专文来诠释C++这一重大问题。

总之，一个reference 的概念，包含了三种完全不同的诠释，可以俗称为三位一体：

• Alias (同体异名)
• Pointer （指针）
• Polymorphic variable （多身份变量）（我不喜欢多状变量这一业界内常用的翻译，认为它完全是概念混淆的，错误的，这里没有“状态”，只有身份）

到此可以做个总结，本文宗旨不是搬弄词汇，而是企图从逻辑，数学上诠释C++的一些基本概念，以便抛砖引玉，唤起你对C++的深层思考。

此文的结论是：

1）C++的一些基本概念不是形式逻辑和传统数学可以定义得清楚的。只有从“语意”上（编译目标代码）和“物理”上（计算机内存的结构）才能诠释。

2）C++的语意（程序的硬件表达），是理解C++的关键。其他的语言，如Java,C#, JavaScript等，更接近数理逻辑，不用太在意其“语意”，95%的都能理解。

3）不懂C++语意，对C++程序员的深化和提高，写出高质量，高性能的C++程序，有着不容忽略的负面影响。

杨镰：2014-8-18 西雅图