c++“引用”的概念，它是如何被编译的？

Question

我现在只知道引用相当于对某对象创建了一个别名，操作时可以直接操作，但是并不太理解：

1. 那么返回引用的函数呢,难道返回的是一个int&的对象吗，能做左值（惊了）？函数返回的不是量，这个把我搞晕了...写了一小段程序，能跑，但是不知道对不对

   int glob[10];
   
   int &foo(int n) 
   {
       return glob[n];
   }
   
   int main()
   {
       foo(1)=1;
       foo(2)=2;
       cout<<foo(1)<<endl<<foo(2)<<endl;
       cout<<glob[1]<<endl<<glob[2]<<endl;
   }

2. 在处理引用的过程中，编译器做了什么事情？既然引用不占用内存空间，以后如何记录引用的位置？

Answer 1

引用内部编译为指针常量。引用会占空间。
所谓引用不占空间是发生了常量折叠的效果。

Answer 2

1. 你的glob本身是全局变量，即使foo函数运行结束，它并不会在内存中销毁，而正好你的foo返回值是glob字段中的一个地址，所以简单来说foo(n)即为glob[n]。2. 你的函数返回值为引用，则它不属于对返回对象的拷贝，所以不占用额外内存。通俗点说你的foo基本上等于这两句话：

    int n = 1;
    glob[n] = 1;

Answer 3

首先，C++里面所有你看到的变量都是放在内存或者CPU寄存器，如果在内存，则可以通过地址访问，在C语言里面定义为指针。
其次，C++的引用是为了简化指针操作，但本质上跟指针发挥着相同的作用。（这就是为什么使用引用有些需要注意的地方，譬如不要返回局部变量的引用）。
最后，C++引用与指针同源，那么对编译器来说，就按指针的处理方式就可以了。也就是说，引用的值（其实就是地址）可以放在任意内存或者寄存器里面。

下面来分析你的程序。

int glob[10];             // 进程全局变量区，地址是变量 glob
int &foo(int n)     
{
    return glob[n];       // 引用变量 glob + n 的地址
}
int main()
{
    foo(1)=1;             // 相当于 int* a = glob + 1, *a = 1
    foo(2)=2;             // 相当于 int* a = glob + 2, *a = 2
    cout<<foo(1)<<endl<<foo(2)<<endl;        // foo(1) 相当于 int* a = glob + 1; *a
    cout<<glob[1]<<endl<<glob[2]<<endl;      
}

所以，为什么引用不占内存还能当左值？好用的指针而已。

Answer 4

你把引用理解为指针就好了.
占不占空间的, 不用管它, 毕竟不是做嵌入式开发, 内存都很珍贵.

Answer 5

N4687

11.3.2 Reference

4. It is unspecified whether or not a reference requires storage (6.7).

所以指针不占空间这个说法是unspecificed的, 意思就是无论占不占都是合理的, 可能同一个程序这里占了, 那里不占也行.

而具体编译器的实现自然也是有自己的优化啊. 引用下幻の上帝6年前在这里的说法:

可能各人理解的意思有点不一样……不过我还是倾向于照字面理解。
说它占空间，或者说具有存储，是不强调究竟占内存还是占寄存器的……（register不也是算storage class specifier么。）这样就没问题了吧。
总结：
引用可以占空间，只不过没法通过常规访问对象的方式对它的内容进行操作，但可以包装成对象后转换类型来绕过这个限制；
占了空间的引用和对象一样可能从内存中被优化掉放到寄存器中；
对于某些引用可能在编译期确定它自身的内容，那么运行时就不占空间（不算代码段之类）。