1. 引用¶

引用是 C 语言所没有的概念。而这个概念，比它表面看起来要复杂一些。

1.1. 值与对象¶

为了理解引用，我们需要首先搞清楚什么叫左值与右值。

简而言之，左值是一种对象，而不是值。其关键区别在于，是否明确在内存中有其可访问的位置。即，其是否存在一个可访问的地址。如果有，那么它就是一个对象，也就是一个左值，否则，它就只是一个值，即右值。

比如：你不可能对整数 10 取地址，因而这个表达式是一个右值。但是如果你定义了一个变量：

int a = 10;

变量 a 则代表一个对象，即左值。如果我们再进一步，表达式 a + 1 则是一个右值表达式，因为你无法对这个表达式取地址。

任何可以取地址的表达式，背后都必然存在一个对象，因而也必然属于左值。而如果我们把对象地址看作其 身份证 ( Identifier ），那么我们也可以换句话说：任何有 身份证 的表达式，都属于左值；否则，肯定属于右值。

1.2. 别名¶

引用是对象的别名。

所谓别名，是指你没有创建任何 新事物 ，而只是对 已存在事物 赋予了另外一个名字。比如：

using Int = int;

你并没有创建一个叫做 Int 的新类型，而只是对已存在类型 int 赋予了另外一个名字。再比如：

template <typename T>
using ArrayType = Array<T, 10>;

你并没有创建一个签名为 ArrayType<T> 的新模版，而只是对已存在模版 Array<T,N> 进行部分实例化后得到的模版，赋予了一个新名字。

因而，引用作为 对象别名 ，并没有创建任何 新对象 （包括引用自身），而仅仅是给已存在对象赋予了一个新名字。

1.3. 空间¶

正是因为其别名语义， C++ 没有规定引用的尺寸（事实上，从别名语义的角度，它本身不需要内存，因而也就没有尺寸而言）。

因而，如果你试图通过 sizeof 去获取一个引用的大小，是不可能的。你只能得到它所引用的对象的大小（由于别名语义）。

struct Foo {
  std::size_t a;
  std::size_t b;
};

Foo foo;
Foo& ref = foo;

static_assert(sizeof(ref) == sizeof(Foo));

也正是由于其 别名语义 ，当你试图对一个引用取地址时，你得到的是对象的地址。比如，在上面的例子中， &ref 与 &foo 得到的结果是一样的。

因而，当你定义一个指针时，指针自身就是一个对象 (左值)；它本身有自己明确的存储，并可以取自己的地址，可以通过 sizeof 获取自己的尺寸。

但是引用，本身不是一个像指针那样的额外对象，而是一个对象的别名， 你对引用进行的任何操作，都是其所绑定对象的操作 。

在上面的例子中，ref 与 foo 没有任何差别，都是对象的一个名字而已。它们本身都代表一个对象，都是一个左值表达式。

因而，在不必要时，编译器完全不需要为引用分配任何内存。

但是，当你需要在一个数据结构中保存一个引用，或者需要传递一个引用时，你事实上是在存储或传递对象的身份（即地址）。

虽然这并不意味着 sizeof(T&) 就是引用的大小（从语义上，引用自身非对象，因而无大小，sizeof(T&) == sizeof(T) ），但对象的地址的确需要对应的空间来存储。

struct Bar {
   Foo& foo;
};

// still, reference keeps its semantics.
static_assert(sizeof(Bar::foo) == sizeof(Foo));

// but its storage size is identical to a pointer
static_assert(sizeof(Bar) == sizeof(void*));

// interesting!!!
static_assert(sizeof(Bar) < sizeof(Bar::foo));

1.4. 受限的指针¶

在传递或需要存储时，一个引用的事实空间开销与指针无异。因而，在这些场景下，它经常被看作一个受限的指针：

一个引用必须初始化。这是因为其 对象别名 语义，因而没有绑定到任何对象的引用，从语义上就不成立。

由于必须通过初始化将引用绑定到某一个对象，因而从语义上，不存在 空引用 的概念。这样的语义，对于我们的接口设计，有着很好的帮助：如果一个参数，从约束上就不可能是空，那么就不要使用指针，而使用引用。这不仅可以让被调用方避免不必要的空指针判断；更重要的是准确的约束表达。

不过，需要特别注意的是：虽然 空引用 从概念上是不存在的，但从事实上是可构造的。比如： T& ref = *(T*)nullptr 。

因而，在项目中，任何时候，需要从指针转为引用时，都需要确保指针的非空性。

另外，空引用 本身这个概念就是不符合语义的，因为引用只是一个对象的别名。上面的表达式，事实上站在对象角度同样可以构造: T obj = *(T*)nullptr 。正如我们将指针所指向的对象赋值（或者初始化）给另一个对象一样，我们都必须确保指针的非空性。

像所有的左值一样，引用可以绑定到一个抽象类型，或者不完备类型（而右值是不可能的）。从这一点上，指针和引用具有相同的性质。因而，在传递参数时，决定使用指针，还是引用，仅仅受是否允许为空的设计约束。

一个引用不可能从一个对象，绑定到另外一个对象。原因很简单，依然由于其 对象别名 语义。它本身就代表它所绑定的对象，重新绑定另外一个对象，从概念上不通。

而引用的 不可更换性 ，导致任何存在引用类型非静态成员的对象，都不可能直接实现 拷贝/移动赋值 函数。因而，标准库中，需要存储数据的，比如容器， tuple , pair , optional 等等结构，都不允许存储引用。

这就会导致，当一个对象需要选择是通过指针还是引用来作为数据成员时，除了 非空性 之外，相对于参数传递，还多了一个约束： 可修改性 。而这两个约束并不必然是一致的，甚至可以是冲突的。

比如，一个类的设计约束是，它必须引用另外一个对象（非空性），但是随后可以修改为引用另外一个对象。这种情况下，使用指针就是唯一的选择。但代价是，必须通过其它手段来保证 非空性 约束。

1.5. 左值¶

任何一个引用类型的变量，都必然是其所绑定对象的别名，因而都必然是左值。无论这个引用类型是 左值引用 ，还是 右值引用 。关于这个话题，我们会在后续章节继续讨论。

重要

引用是对象的别名，对于引用的一切操作都是对对象的操作；
引用自身从概念上没有大小（或者就是对象的大小）；但引用在传递或需要存储时，其传递或存储的大小为地址的大小。
引用必须初始化；
引用不可能重新绑定；
将指针所指向的对象绑定到一个引用时，需要确保指针非空。
任何引用类型的变量，都是左值。