Переменная - это определенный именованный участок памяти(адрес), в котором хранится значение. Так вот, я не понимаю, как она работает, потому что выводя переменную на экран, мы получаем ее значение. Но допустим мы объявляем ссылку. Неужели мы в качестве rvalue
подставляем это самое значение? Допустим имя переменной все таки хранит под собой адрес, но тогда зачем мы при объявлении указателя берем адрес этой самой переменной, если она и так содержит адрес? Мне очень интересно узнать, что из себя для компилятора вообще представляет идентификатор - адрес, значение и т. д.
2 ответа
Ссылки указатели переменные.
Явные переменные. Обычно под переменной понимают запись int a
(вместо int
может быть любой другой тип кроме void
, имеется ввиду тип, который не содержит ссылку или указатель т.к. типы можно переопределять). Это называется явное обьявление переменной типа int
. Такая переменная всегда имеет размерность. Явная переменная может иметь или не иметь адрес. Если компилятор упрощает код - то переменная может попасть в регистр процессора - и быть без адреса (попытка взять адрес в дебагере - покажет что адреса нету). Если компилятор видит что переменная не используется, он может вообще не выдать ни адрес ни регистр и даже не выдать имя. Увидеть что случилось с переменной можно а) в дебаггере б) дизассемблером. в) в map файле. Для глобальных переменных - адрес постоянный (оговорка если компилятор не упростил, если imagtbase постоянный и т п), для локальных - как правило в стеке (если компилятор не упростил). Поведение компилятора может менятся, например без создания ссылки на переменную - у переменной может не быть адреса, а при использовании ссылки - компилятор сделает сборку где у переменной будет адрес. Есть дополнительные подсказки компилятору - их рассматривать не буду. Явная переменная может иметь любой размер от 1 байта до достаточно большого числа байти, которое разрешает сделать компилятор (даже 1 Мб можно).
Неявные переменные. Неявные переменные могут быть получены с помощью malloc, GlobalAlloc и подобных, с помощью вспомагательных библиотек (если создаётся обьект), с помощью ассемблерных операций (как обычные операции, так и SSE MMX и т п), путём прямого назначения адреса. Неявная переменная не может быть обьявлена явно, но их может быть очень много. Неявные переменные к которым есть доступ - могут существовать только в виде ссылки или указателя. Если к адресу нету доступа через ссылку или указатель, то можно считать, что переменная a) упакована (или хранимая в памяти), её всегда можно получить выполнив опредёленные операции б) потеряная. Потеряные - те которые потерялись в результате ошибок - пропали, и их невозможно найти, именно из таких получается "утечка памяти" (в упрощённом виде).
Ссылка. Запись f(int & b)
или запись int & b = выражение;
позволяет создать ссылку на обьект. Ссылка не может быть неинициализирована. Тип ссылки должен совпадать с типом обьекта (без & ссылки будет более гибкое преобразование), на который она ссылается и фактически "повторяет" тот объект, который ей присвоен изначально, все операции с новым именем будут иметь те же последствия которые наступили бы при операциях с оригинальным обьектом. Объект начинает обладать новым именем. Гарантировано отличить програмно ссылку от не ссылки - не получится. В ссылку может быть вложен указатель (int *& a;
имеется ввиду, наоборот - нельзя), двойная ссылка int & & a
- недопутима. Константная ссылка int & const a
- недопустима. За "широмой" выражение инициализирует ссылку путём вычисления адреса ссылке "присваивается" адрес. Технически ссылка хранится в памяти и занимает столько же места склько занимает указатель, что иногда условно даёт возможность сократить расход памяти при вызове функции если вместо явной переменной - ссылка. Хотя возможен случай когда компилятор упрощает код выбрасывая из памяти место под ссылку. Обычно ссылка содержит валидный обьект(адрес), но присвоить невалидный тоже можно через невалидную ссылку. При обращении к невалидному обьекту будет или исключение или фатальная ошибка или неопределённое поведение UB. Поэтому если идет преобразование указателя в ссылку желательно проверить валидность адреса. В некоторых языках (делфи) ссылка называется var. Ссылки имеют поведение очень схожее 99.9% с обычными именоваными переменными, поэтому их иногда используют.
Ссылка на явную переменную может быть записана так int & b = a;
.
Ссылка на неявную переменную или косвенная ссылка на явную переменную может быть получена a)с указателя на переменную (явную/неявную) через оператор * int & b = *p;
Но есть исключение. Если переопредёлен оператор operator *()
то будет получена та ссылка которую вернёт оператор. Можно через malloc
- сначало получаем указатель, потом приводим к нужному типу указателя, потом через * получаем нужный тип ссылки. Например так int & z1 = *(int*)malloc*(sizeof(int));
б)через другую ссылку, которая уже задана.
Адрес записанный в ссылке нельзя менять. а)Манипуляциями с адресами или регистрами позволяют подменить адрес. Но так не делают - это считается UB. б) при неаккуратном использовании памяти ссылка тоже может испортится, если такое произошло - то у вас неправильно написана программа, где-то происходит выход за границы массива, порча стека, порча памяти и т п - нужно аккуратно писать программу что бы такого не произошло.
Указатель Указатель - именованная переменная типа указатель. Указатель содержит адрес. Обьект указатель позволяет: а) получать доступ к обьекту, адрес которого взят. б) проверять адрес на 0 (null) или не ноль в) получить адрес обьекта в абсолютном (двоично-десятичном представлении, т.е. как обычное число в случае с линейной памятью) г) позволяет использовать адрес как типизированый массив, и перемещаться по массиву вперёд (или назад) д) позволяет менять адрес разными способами, задавать нулевой, задавать значение литералами (цифровое), увеличивать, уменьшать. Указатель может быть как одинарным так и двойным (похож на двумерный массив) и более. Бывает пустой указатель (с нулевым адресом), указатель на явную/неявную переменную, указатель на элемент массива, неинициализированый указатель может сожержать "мусор" его использование может вызвать ошибки или UB - перед использованием такому указателю нужно присвоить значение. Обычно указатель задаётся выражением int *p;
звёздочкой, но есть ещё несколько более сложных форм записи (для методов и методов класса, и ещё есть случаи). Указатель можно перепутаь с оператором *()
. Указатель может быть как константным (дополнительно поставить модификатор const), так и таким который можно менять в процессе.
Есть указатель, а есть оператор тип operator *()
. Указатель задаётся в секции обьявления типа, во всех других случаях - это оператор разименования указателя (т.е. преобразование в значение или ссылку). Обычно этот оператор не переопределяют, но некоторые программисты ради запутывания кода могут переопределить его.
Указатель не даёт доступ к обьекту на который он указывает напрямую. Для того что бы получить доступ к обьекту, нужно использовать один из 3-х операторов *
->
[]
. Если выражение слева - ссылка - то *
[]
дают значение или ссылку. Если выражение слева - не ссылка, то происходит копирование всего значения в тот обьект, который слева. Эти три оператора работают для обьекта указатель, для других обьектов нет, но могут работать для отдельных обьектов, если данные операторы для них заданы.
Оператор * operator *()
(без операндов, умножение - с операндами, получение сслыки - без) - это оператор получения значения или ссылки из указателя. Пример использования *p
, (*p).field
(для классов). Принято использовать для не массивов и не классов. Но не запрещено использование для даных случаев.
Оператор стрелка operator ->()
- получает доступ к полям Пример использования p->fied
. Оператор доступен только для структур и классов.
Оператор взятия элемента массива operator [](тип index)
- позволяет расскрывать указатель как ссылку на элемент масса. Приемр p[0]
, p[0].field
. Обычно этот оператор используется с ссылками на массив и с массивами, но нулевой элемент будет аналогичен как * (если операторы не переопределены). Для массива - можно получить длинну массива, для указателя - нет. Неаккуратное ображение с этим оператором может приводить к сбоям, зато ввиду отсутствия проверки на выхода за пределы масиива - повышается быстродействие.
Обычно первые два оператора не принято менять, но все три оператора могут быть изменены для запутывания кода, или для создания "кастомного" указателя. Оператор []
обычно переопределяют, когда хотят сделать "улучшеный" или "виртуальный" массив.
Так как указатель приходится часто преобразовывать в значение (реже в ссылку), то иногда указатели и ссылки люди путают между собой.
Размер ссылки, размер указателя. Физически и указатель и ссылка имеют одинаковый размер. Поэтому подмена внутри функции аргумента ссылкой или указателем - может приводить к сокращению расхода оперативной памяти. Но встроеное sizeof()
покажет разный размер, для ссылки - будет всегда размер обьекта на который ссылается ссылка, а для указателя - будет размер адреса. Для обычного линейного x86 с 32-битным режимом адресации размер будет равнятся 4 байта, для x64 - 8 байт. Но адрес может быть другого размера от 1 байт (для некоторых микроконтроллеров), 2 байта (16-битный режим), бывают сегмент-офсетные "двойные" адреса (метка far). Проэтому если вы пишите под кросс-платформу или под нестандартнуюю платформу - то надо учитывать что размер адреса может быть другим. И в некоторых случаях можно создать два указателя с разной размерностью адреса (при написании драйвера или загрузчика например). И опять же, если компилятор сократит ссылку или указатель - то физически указатель/ссыка могут быть без адреса (но адрес будет хранится или в регистре ЦП или две "переменных" будут хранится по одному адресу).
Пример идеинтичного кода с указателем и ссылкой
По сути, с точки зрения ассемблера
- ссылка и указаель - это почти одно и то же.
Отличие только в том, что с точки зрения с++
это разные обьекты с которыми совсем по разному
нужно работать, хоть и по функциональности они похожи.
Если не использовать все возможности указателя
- то ассемблерный код будет идеинтичным. Следующие примеры сформируют одинаковый ассемблерный код
(в 99% случаев).<code>
void SetupA_ptr(char * a){// код с указателем этого метода будет
*a = 'x'; // идеинтичный коду следующего метода
} // Но тут можно проверить ссылку на null
void SetupA_ref(char & a){// код с ссылкой
a = 'x'; // А тут нельзя сделать проверку на null
} // (т.к. при преобразованиях может возникнуть UB)
//----------
char z;
SetupA_ptr(&z); // И даже вызов тут код вызова будет одинаковым
SetupA_ref(z); // И вызов тут
</code>
Пример проброса адреса
Если выражение слева готово принять ссылку - происходит передача ссылки. Если выражение слева не готово принять ссылку, то происходит копирование данных. lvalue - означает left-value - преобразование по значению слева. Например (скомпилировано в старом BCC 5.0):
int a0 = 1; /* mov [ebp-180h],1; */
// Делаем ссылку на a0
int & a1 = a0; /* lea edx, [ebp-180h]; mov [ebp-184h],edx; */
// Берём адрес с a1, точнее получаем указатель на a0, на обьект на который ссылается ссылка
int * a2 = &a1 /* mov ecx, [ebp-184h]; mov [ebp-188h],ecx; */
// Ниже делаем ссылку по полученому адресу, в итоге на обьект a0
int & a3 = *a2 /* mov eax, [ebp-188h]; mov [ebp-18Ch],eax; */
// Берём адрес обьекта из ссылки a3, т.е. фактически адрес a0
int * a4 = &a3;/* mov edx, [ebp-18Ch]; mov [ebp-190h],edx; */
printf("%X ",a1); /*Вывод: 1*/
printf("%X ",a2); /*Вывод: 18FDD0 адрес a0*/
printf("%X ",a3); /*Вывод: 1*/
printf("%X ",a4); /*Вывод: 18FDD0 адрес a0*/
Но если мы ссылку или звездочка-указатель присваиваем в int - то он поменяет свой адрес.
int b0 = 1;
int * b1 = &b0; // Тут адрес b0
int b2 = *b1; // Тут мы теряем ссылку, b2 не умеет хранить адрес.
int * b3 = &b2; // А тут будет адрес b2
int & b4 = b0; // Тут адрес b0
int b5 = b4; // Тут мы теряем ссылку, b5 не умеет хранить адрес.
int * b6 = &b5; // Тут адрес b5
Но если мы пишем
int a = 1;
int b = 2;
int * pa = &a;
int * pb = &b;
*pa = *pb; // тут в а скопируется значение b, присваивание ссылки не будет
int & c = *pb; // тут будет скопирован адрес b, т.к. инициализация
// Менять ссылку ещё раз - запрещено, int& - слева запрещён.
с = a; // Скопирует значение а, 1 в переменную b.
Аналогичо, если мы передаём аргумент в функцию
f1(int arg1) - то `arg1` получает копию переменной и
для arg1 резервируется отдельное место для хранения,
изменения в arg1 не повлияют на значение переменной в вызвавшей функции,
а если мы передаём аргумент в функцию
f2(int & arg2) - то arg2 сохранит адрес переменной,
а если передали ссылку - то адрес ссылки,
если передали *p (от `int * p`) - то сохранит адрес записаный в p.
И изменения в arg2 коснуться той переменной,
на которую создана ссылка изначально.
Упрощенный пример "умного" массива
class MyArray {
int * source;
int max_index;
int noValue; // Если адрес не верный.
public:
void Init(int * src, int maxidx) {
source = src;
max_index = maxidx;
}
int& operator[](int index) {
if ((index < 0)||(index >= max_index)) return noValue;
// Вернём что-нибудь,
//но можно a) вызвать исключение
//можно б) вызвать printf и вывести ошибку на экран
return source[index];
// Будет передана ссылка на элемент,
// Поэтому при изменении результата, который вернул оператор []
// будет меняться оригинальный массив.
// если убрать & - то получится "readonly" массив.
// Ссылка позволяет аккуратно сделать "проброс"
}
}
MyArray arr;
int array[10];
arr.Init(array,10);
arr[1] = 10;// сохранится
arr[20] = 20; // не сохранится, сбоя не будет
P.S. В STL есть хорошая реализация массива std::array
Полный map-файл может дать ответы, какие адреса каким переменным ссылкам и указателям дал компилятор. Если конечно уровень детализации позволяет это увидеть. Так же дизассемблированый код покажет что компилятор сделал с вашими переменными и ссылками. Использование переменных и ссылок позволяет оптимизировать код и более гибко управлять памятью.
-
2К сожалению, есть неточности. Например, вы тиражируете расхожий штамп, что если определено int *p, то *p выдает ссылку на p, хотя она выдает lvalue типа int. Подробности на en.SO, там же и ссылки на стандарт: stackoverflow.com/questions/48388510/…– gbg1 апр 2021 в 16:30
-
1@gbd я дополнил ответ примерами, возможно вместо слова ссылка нужно писать lvalue, там и правда два варианта поведения. Для ссылки слева - одно. Для не ссылки - другое.– nick_n_a1 апр 2021 в 17:53
-
2@n1kzzz,
ссылка это фактически разыменнованый указатель
Это ошибка. Указатель является объектом, занимает некоторое количество памяти (storage) и имеет адрес. Ссылка не объект, ссылка не занимает память и вы не можете взять адрес ссылки.– wololo1 апр 2021 в 18:22 -
2Какая языковая конструкция позволяет получить адрес ссылки? Как получить размер ссылки в байтах? Как объявить массив ссылок?– wololo1 апр 2021 в 18:25
-
3
С точки зрения ассемблера и ссылка и указатель - это участок памяти который хранит адрес
В том-то и дело, что вы смотрите со стороны ассемблера. Я пытаюсь донести ту мысль, что с точки зрения стандарта языка ссылка совершенна не похожа на указатель. Когда ссылка инициализируется, никаких присвоений адресов не происходит. Просто ссылка становится некоторым идентификатором, через который можно манипулировать объектом. В этом ссылка очень похожа на обычную не ссылочную переменную. Просто альтернативное имя, через которое можно воздействовать на объект.– wololo1 апр 2021 в 18:47
Не следует ставить этот вопрос в такой формулировке и вот почему: компилятор С++ очень хорошо оптимизирует программу.
Это значит, что допущение о том, что переменная - "именованный участок памяти" в общем случае, верно не всегда ( иногда это регистр, иногда переменная вовсе оказывается выброшена за ненадобностью)
Также неверно, что при вызове функции всегда будет происходить копирование параметров в стек - они могут и через регистр передаться, а еще, все тело вызываемой функции компилятор может заинлайнить, если захочет.
"ссылка" не является указателем который не может быть null. При компиляции с ней происходят совсем другие вещи (в какой-то момент компилятор перестает отличать внутри себя ссылку и саму переменную, если может это сделать).
А что будет при векторизации при помощи SIMD? А у вас несколько переменных попадут в один 128-бит или 256-бит (или 512-бит, если у вас крутой проц) регистр.
В связи с этим нужно помнить про правило as-if - компилятор выдает машинный код, который будет вести себя эквивалентно тому, что понаписано в программе, но вот как он это сделает - никто гарантий не дает.
Закладываться на то, что компилятор выдаст в ответ на какой-то код на C++ какой-то конкретный ассемблер можно было году так в 1990м.
-
1
-
3Я не минусовал. Почитал ответы на похожие вопросы - наверно надо где-то час два посидеть, что бы оговорить все тонкости указателей переменных и ссылок и расписать все возможные ветви поведения. Если чесно - ни один из ответов на этот вопрос мне на so не понравился. Думаю вы согласитесь с тем что ваш ответ не полный.– nick_n_a1 апр 2021 в 9:06
-
-
-
2@nick_n_a - проблема в том, что этих выводов и примеров в стандарте нет, это результат наблюдений над работой компилятора, которые любой желающий может повторить, путем написания тестовых программ и анализа ассемблера.– gbg1 апр 2021 в 10:22
a=b
, а не придумывать оператор для получения значения вb
- что потребовалось бы, если бы считать имя переменной адресом... Хватит путаницы с массивами :)int var = 0;
, то вы 1) объявляете объект, имеющий автоматический класс памяти, имеющий типint
, занимающийsizeof(int)
байт, имеющий некоторый адрес, 2) а также объявляете удобный идентификаторvar
, с помощью которого вы можете взаимодействовать с объектом. Затем вы пишетеint& ref = var
. Здесь вы только создали альтернативное имя для уже существующего объекта. Любые манипуляции с объектом черезvar
илиref
— это манипуляции с одним и тем же объектом, именами которого являютсяvar
иref
.