引用声明

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C++
 
C++ 语言
 
声明
 

声明具名变量为引用，即既存对象或函数的别名。

语法

引用变量声明是拥有下列形式的被简单声明的声明符：

& 属性 (可选) 声明符 (1)
&& 属性 (可选) 声明符 (2) (C++11 起)
1) 左值引用声明符：声明 S& D; 是将 D 声明为声明说明符序列 S 所确定的类型的左值引用。
2) 右值引用声明符：声明 S&& D; 是将 D 声明为声明说明符序列 S 所确定的类型的右值引用。
声明符 - 除引用声明符之外的任何其他声明符（不存在引用的引用）
属性 - (C++11 起) 属性的列表

引用必须被初始化为指代一个有效的对象或函数：见引用初始化。

无法组成“到（可有 cv 限定的）void 的引用”类型。

引用类型不能在顶层有 cv 限定；声明中没有为此而设的语法，如果在 typedef 名、decltype 说明符(C++11 起)或类型模板形参上添加了该限定符，它将会被忽略。

引用不是对象；它们不必占用存储，尽管编译器会在需要实现所需语义（例如，引用类型的非静态数据成员通常会增加类的大小，量为存储内存地址所需）的情况下分配存储。

因为引用不是对象，所以不存在引用的数组，不存在指向引用的指针，不存在引用的引用： 

int& a[3]; // 错误
int&* p;   // 错误
int& &r;   // 错误

引用折叠

通过模板或 typedef 中的类型操作可以构成引用的引用，此时适用引用折叠 规则：右值引用的右值引用折叠成右值引用，所有其他组合均折叠成左值引用： 

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&&

（这条规则，和将 T&& 用于函数模板时的模板实参推导的特殊规则一起，组成了使得 std::forward 可行的规则。）

(C++11 起)

左值引用

左值引用可用于建立既存对象的别名（可拥有不同的 cv 限定）：

运行此代码
#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    std::string s = "Ex";
    std::string& r1 = s;
    const std::string& r2 = s;

    r1 += "ample";           // 修改 s
//  r2 += "!";               // 错误：不能通过到 const 的引用修改
    std::cout << r2 << '\n'; // 打印 s，它现在保有 "Example"
}

它们也能用于在函数调用中实现按引用传递语义：

运行此代码
#include <iostream>
#include <string>

void double_string(std::string& s)
{
    s += s; // 's' 与 main() 的 'str' 是同一对象
}

int main()
{
    std::string str = "Test";
    double_string(str);
    std::cout << str << '\n';
}

当函数的返回值是左值引用时，函数调用表达式变成左值表达式：

运行此代码
#include <iostream>
#include <string>

char& char_number(std::string& s, std::size_t n)
{
    return s.at(n); // string::at() 返回 char 的引用
}

int main()
{
    std::string str = "Test";
    char_number(str, 1) = 'a'; // 函数调用是左值，可被赋值
    std::cout << str << '\n';
}

右值引用

右值引用可用于为临时对象延长生存期（注意，到 const 的左值引用也能延长临时对象生存期，但这些对象无法被修改）：

运行此代码
#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    std::string s1 = "Test";
//  std::string&& r1 = s1;           // 错误：不能绑定到左值

    const std::string& r2 = s1 + s1; // OK：到 const 的左值引用延长生存期
//  r2 += "Test";                    // 错误：不能通过到 const 的引用修改

    std::string&& r3 = s1 + s1;      // OK：右值引用延长生存期
    r3 += "Test";                    // OK：能通过到非 const 的引用修改
    std::cout << r3 << '\n';
}

更重要的是，当函数同时具有右值引用和左值引用的重载时，右值引用重载绑定到右值（包含纯右值和亡值），而左值引用重载绑定到左值：

运行此代码
#include <iostream>
#include <utility>

void f(int& x)
{
    std::cout << "左值引用重载 f(" << x << ")\n";
}

void f(const int& x)
{
    std::cout << "到 const 的左值引用重载 f(" << x << ")\n";
}

void f(int&& x)
{
    std::cout << "右值引用重载 f(" << x << ")\n";
}

int main()
{
    int i = 1;
    const int ci = 2;
    
    f(i);  // 调用 f(int&)
    f(ci); // 调用 f(const int&)
    f(3);  // 调用 f(int&&)，如果没有 f(int&&) 重载则会调用 f(const int&)
    f(std::move(i)); // 调用 f(int&&)

    // 右值引用变量在用于表达式时是左值
    int&& x = 1;
    f(x);            // 调用 f(int& x)
    f(std::move(x)); // 调用 f(int&& x)
}

这允许在适当时机自动选择移动构造函数、移动赋值运算符和其他具有移动能力的函数（例如 std::vector::push_back()）。

因为右值引用能绑定到亡值，所以它们能指代非临时对象： 

int i2 = 42;
int&& rri = std::move(i2); // 直接绑定到 i2

这使得作用域中不再需要的对象可以被移动出去： 

std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int> v2(std::move(v)); // 绑定右值引用到 v
assert(v.empty());

转发引用

转发引用是一种特殊的引用，它保持函数实参的值类别，使得 std::forward 能用来转发实参。转发引用是下列之一：

1) 函数模板的函数形参，其被声明为同一函数模板的类型模板形参的无 cv 限定的右值引用：
template<class T>
int f(T&& x)                      // x 是转发引用
{
    return g(std::forward<T>(x)); // 从而能被转发
}

int main()
{
    int i;
    f(i); // 实参是左值，调用 f<int&>(int&)，std::forward<int&>(x) 是左值
    f(0); // 实参是右值，调用 f<int>(int&&)，std::forward<int>(x) 是右值
}

template<class T>
int g(const T&& x); // x 不是转发引用：const T 不是无 cv 限定的

template<class T>
struct A
{
    template<class U>
    A(T&& x, U&& y, int* p); // x 不是转发引用：T 不是构造函数的类型模板形参
                             // 但 y 是转发引用
};
2) auto&&，但当其从花括号包围的初始化器列表推导时，或在类模板实参推导过程中表示类模板的模板形参时(C++17 起)除外：
auto&& vec = foo();       // foo() 可以是左值或右值，vec 是转发引用
auto i = std::begin(vec); // 也可以
(*i)++;                   // 也可以

g(std::forward<decltype(vec)>(vec)); // 转发，保持值类别

for (auto&& x: f())
{
    // x 是转发引用；这是在泛型代码中安全使用范围 for 循环的一般方法
}

auto&& z = {1, 2, 3}; // *不是*转发引用（针对初始化器列表的特殊情形）

参阅模板实参推导和 std::forward。

(C++11 起)

悬垂引用

尽管引用一旦初始化就始终指代一个有效的对象或函数，但有可能创建一个程序，其中被指代对象的生存期结束而引用仍保持可访问（悬垂）。

给定具有引用类型的表达式 expr，并设 target 为该引用指代的对象或函数：

  • 如果指向 target 的指针在求值 expr 的语境中有效，那么结果指代 target。
  • 否则行为未定义。
std::string& f()
{
    std::string s = "Example";
    return s; // 退出 s 的作用域：调用其析构函数并解分配其存储
}

std::string& r = f(); // 悬垂引用
std::cout << r;       // 未定义行为：从悬垂引用读取
std::string s = f();  // 未定义行为：从悬垂引用复制初始化

注意，右值引用和到 const 的左值引用能延长临时对象的生存期（参阅引用初始化中的规则和例外情况）。

如果被指代对象被销毁（例如通过显式的析构函数调用），但存储尚未被解分配，则到生存期外的对象的引用仍能以有限的方式使用，且当在同一存储中重新创建对象时也可以变为有效（细节见在生存期之外进行访问）。

类型不可访问的引用

在转换后的初始化器是通过不具有类型可访问性的左值(C++11 前)泛左值(C++11 起)的对象的情况下，试图将引用绑定到该对象会导致未定义行为： 

char x alignas(int);

int& ir = *reinterpret_cast<int*>(&x); // 未定义行为：初始化器指代 char 对象

调用不兼容的引用

在转换后的初始化器是函数左值(C++11 前)泛左值(C++11 起)，并且该值的类型与函数定义的类型不具有调用兼容性的情况下，试图将引用绑定到该函数会导致未定义行为： 

void f(int);

using F = void(float);
F& ir = *reinterpret_cast<F*>(&f); // 未定义行为：初始化器指代 void(int) 函数

注解

功能特性测试宏 值 标准 功能特性
__cpp_rvalue_references 200610L (C++11) 右值引用

缺陷报告

下列更改行为的缺陷报告追溯地应用于以前出版的 C++ 标准。

缺陷报告 应用于 出版时的行为 正确行为
CWG 453 C++98 不明确引用不能绑定到哪些对象和函数 使之明确
CWG 1510 C++11 不能在 decltype 的操作数中形成有 cv 限定的引用 已允许
CWG 2550 C++98 形参的类型可以是“到 void 的引用” 已禁止
CWG 2933 C++98 访问悬垂引用的行为不明确 使之明确

外部链接

Thomas Becker, 2013 - C++ Rvalue References Explained