在C和C++中，“按引用传递”有什么区别？

Question

在C和C++中，“按引用传递”有什么区别？

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「传递引用」这个词汇在C和C++开发者中都被使用，但似乎它们所表示的意义不同。那么这个模糊的短语在每种语言中确切的区别是什么？

- Joseph Mansfield

尽管有一些类似的问题和答案，但我很惊讶没有找到一个真正涵盖这个问题的答案（特别是C和C++之间差异的深入讨论）。这是一个常见的误解，特别是对于那些以某种原因同时学习C和C++或从一个语言转换到另一个语言的人。我认为，许多初学者在C和C++编程中遇到的问题源于对每种语言发生了什么的混淆。 - Joseph Mansfield

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你是否曾经读过C++中“按引用传递/按值传递”的最高赞答案（https://dev59.com/i3RC5IYBdhLWcg3wFdJx）？ - Jesse Good

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@JesseGood 我已经查过了，但我想着重讲述这两种语言之间的差异，以及在不同情境下应该使用哪种短语。虽然答案中有一些重复的内容，但我认为我的问题还是很有区别性的。 - Joseph Mansfield

请注意链接答案中对绑定临时对象的区分，这与您的答案略有不同。 - Jesse Good

1个回答

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- Joseph Mansfield · Accepted Answer

有些问题已经涉及到按值传递和按引用传递的区别。实质上，将参数按值传递给函数意味着该函数将拥有其自己的参数副本-它的值被复制了。修改该副本不会修改原始对象。但是，当按引用传递时，在函数内部的参数指向传入的相同对象-函数内部的任何更改都将在外部可见。

不幸的是，“按值传递”和“按引用传递”这两个短语的使用方式存在两种可能会引起混淆的情况。我认为这在某种程度上是导致新的C++程序员难以采用指针和引用的原因，特别是当他们来自C背景的时候。

C

在C中，严格来说，所有的东西都是按值传递的。也就是说，无论你将什么作为函数的参数传递，都会被复制到该函数中。例如，调用一个带有void foo(int)签名的函数并使用foo(x)作为参数，将会把x的值复制到foo的参数中。这可以在一个简单的例子中看到：

void foo(int param) { param++; }

int main()
{
  int x = 5;
  foo(x);
  printf("%d\n",x); // x == 5
}

x的值被复制到foo中，并且该副本被增加。在main中的x仍然保持其原始值。

正如您所知，对象可以是指针类型。例如，int* p将p定义为指向int的指针。重要的是要注意，以下代码引入了两个对象：

int x = 5;
int* p = &x;

第一个变量的类型是int，其值为5。第二个变量的类型是int*，它的值是第一个对象的地址。

当向函数传递指针时，仍然按值传递。它所包含的地址被复制到函数中。在函数内部修改该指针不会改变函数外部的指针 - 但是，在函数内部修改它指向的对象将会改变函数外部的对象。但是，为什么呢？

由于具有相同值的两个指针总是指向相同的对象（它们包含相同的地址），因此可以通过两个指针访问和修改指向的对象。这赋予了通过引用传递指向对象的语义，尽管实际上根本没有引用 - 在C语言中根本不存在引用。看一下更改后的示例：

void foo(int* param) { (*param)++; }

int main()
{
  int x = 5;
  foo(&x);
  printf("%d\n",x); // x == 6
}

当我们把int*传递给函数时，可以说指向的int是“按引用传递”的，但实际上int根本没有被传递到任何地方-只有指针被复制到函数中。这给了我们“按值传递”和“按引用传递”的口语意义。

这种术语的使用得到了标准术语的支持。当您有指针类型时，它所指向的类型称为其“引用类型”。也就是说，int* 的引用类型是 int。

指针类型可以来自函数类型、对象类型或不完全类型，称为“引用类型”。

虽然在标准中，一元运算符（如*p）被称为间接运算，但通常也被称为指针的解除引用。这进一步促进了在C中“按引用传递”的概念。

C ++

C ++从C采用了许多原始语言特性，其中包括指针，因此仍然可以使用这种口语化的“按引用传递”形式-*p仍然是解除引用p。但是，使用这个术语会很困惑，因为C ++引入了C没有的功能：真正传递引用的能力。

一个类型后面跟着一个&是一个引用类型²。例如，int&是对int的引用。当将参数传递给接受引用类型的函数时，对象确实通过引用传递。没有指针参与，没有对象复制，没有任何东西。函数内部的名称实际上指的是与传入的对象完全相同的对象。为了与上面的例子形成对比：

void foo(int& param) { param++; }

int main()
{
  int x = 5;
  foo(x);
  std::cout << x << std::endl; // x == 6
}

现在 foo 函数有一个参数，它是对一个 int 的引用。现在当传递 x 时，param 引用的是完全相同的对象。递增 param 对 x 的值产生了可见的改变，现在 x 的值为6。

在这个例子中，没有通过值传递任何东西。没有复制任何东西。与C中不同，其中按引用传递实际上只是通过值传递指针，在C++中，我们真正可以通过引用传递。

由于“按引用传递”一词存在潜在歧义，最好仅在使用引用类型时在C++上下文中使用它。如果您正在传递指针，则不是按引用传递，而是按值传递指针（当然，除非您正在传递指向指针的引用！例如：int*&）。但是，在使用指针时，您可能会遇到“按引用传递”的用法，但现在您至少知道实际发生了什么。

其他编程语言进一步复杂化了事情。在某些语言中，如Java，你拥有的每个变量都被称为一个对象的引用（不同于C++中的引用，更像指针），但这些引用是按值传递的。因此，即使您似乎正在通过引用传递到一个函数中，实际上您正在通过值将引用复制到函数中。当您将新对象分配给传入的引用时，会注意到这种微小差异与在C++中按引用传递时不同：

public void foo(Bar param) {
  param.something();
  param = new Bar();
}

如果你在Java中调用这个函数并传入类型为Bar的某个对象，那么对param.something()的调用将在你传入的同一对象上进行。这是因为你传递了一个指向你的对象的引用。然而，即使新的Bar被分配给param，函数外部的对象仍然是同一个旧对象。外部永远无法看到新对象，因为在foo内部的引用被重新分配到了一个新对象上。这种重新分配引用的行为在C++引用中是不可能实现的。

¹“口语化”并不意味着C语言中的“按引用传递”的含义比C++含义更不准确，只是因为C++确实有引用类型，所以你真正地通过引用进行参数传递。C语言中的含义是在“按值传递”的抽象之上。

²当然，这些是左值引用，现在在C++11中还有右值引用。