当我们谈C++中的变量、指针和引用时，我们到底在谈什么？

问题

先看一段代码：

int a=1;
    cout<<"普通变量："<<"值："<<a<<" 址："<<&a<<endl;
    return 0;
}

上述代码，首先定义了一个整型变量a，并赋值为1，然后打印出变量a的值和地址。程序的运行结果如下：

普通变量：值：1 址：0x6dfef8

众所周知，变量a存放于主存中，当CPU执行到以a为操作数的指令时，指令的地址码字段即为a在主存中的地址，这被称为是直接寻址。根据上述运行结果，可以分析出变量a在主存中的布局情况，如下图所示：

从上图中，可以看到，变量a存放于主存中地址为0x6dfef8的存储单元中，值为1。那么，当变量的类型是指针类型时，它在内存中的布局是什么情形呢？再看一段代码：

int a=1;
    cout<<"普通变量："<<"值："<<a<<" 址："<<&a<<endl;
    int *b=&a;
    cout<<"指针变量："<<"值："<<b<<" 址："<<&b<<endl;
    return 0;
}

上述代码在之前的基础上，又定义了一个指针变量b，它指向变量a，然后打印出变量b的值和地址。程序的运行结果如下：

普通变量：值：1 址：0x6dfef8
指针变量：值：0x6dfef8 址：0x6dfef4

可以看到，变量b的值为0x6dfef8，地址为0x6dfef4。据此绘制出此时的内存分布如下图所示：

我们发现，变量b的内容恰好是变量a的地址，因为b是指向a的指针。此外，变量b的地址比a小4，这说明局部变量表所对应的栈是向下增长的。注意到，0x6dfef8-0x6dfef4=4，也就是说，a和b的地址之差为4，而通常存储器是以字节作为最小的寻址单位，因此可以认为b占据4个字节。而b的值，也就是0x6dfef8却只占用3个字节，那剩下的字节是干什么了呢？这可能有两种原因，其一是，CPU对主存按照内存对齐的方式进行访问，从而用4个字节存储b；其二是，0x6dfef8不是物理地址，而是逻辑地址，最常见的一种逻辑地址方式是基址寻址，此时的逻辑地址等于相对于基址的偏移量。更重要的是，指针定义了“”运算符，在我们的例子中，在我们的例子中，b=a，从汇编语言的角度看，*运算就是间接寻址，也就是说，b保存着操作数地址的地址，在指令执行前，要将b的值取出来，再送入指令寄存器的地址码字段中。最后，我们再看一下引用变量的情况，代码、结果和内存布局分别如下所示：

int main(){
    int a=1;
    cout<<"普通变量："<<"值："<<a<<" 址："<<&a<<endl;
    int *b=&a;
    cout<<"指针变量："<<"值："<<b<<" 址："<<&b<<endl;
    int &c=a;
    cout<<"引用变量："<<"值："<<a<<" 址："<<&c<<endl;
    return 0;
}
普通变量：值：1 址：0x6dfef8
指针变量：值：0x6dfef8 址：0x6dfef4
引用变量：值：1 址：0x6dfef8

可以认为，变量a和变量c就是同一个变量，因为二者的值、址，以及在程序中的作用方式完全一致，因此在C++ Primer中说“引用变量就是变量的别名”。但不同之处在于，引用变量要有初始化过程。

总结

上述的分析相对细致，却十分啰嗦，看到C++中随处可见的变量时，是不可能想这么多的。这里做一下总结：变量对应着某个存储单元，具有地址和值。对普通变量的访问，访问的是它的值；而对指针变量的访问（*操作），访问的是它所指向的变量的值；引用变量就是变量别名。此外，我们说普通变量和指针作为函数参数时，是传值，而引用变量才是传址。所谓传值，是指改变形参变量的内容，而传址，是指改变形参变量的地址，也就是改变它所对应的存储单元。指针寻址方式，对于计算机实现来说很容易，但对于人理解却不太容易。这可能是Java中不采用指针的原因之一吧，但实际上Java中的引用就是C++中的指针，遗憾的是，Java中没有C++中的引用，在一些情况下会使得代码比较复杂。