为什么不能在C++的`std::map`中存储引用？

Question

我理解引用不是指针，而是对象的别名。但是作为程序员，这对我具体意味着什么，即引用在底层是什么，我仍然不太清楚。

我认为最好的方法是理解为什么我不能在映射（map）中存储引用。

我知道我需要停止将引用视为指针的语法糖，只是不确定如何做到 :/

- ng5000

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不要将引用视为受限制的指针，而应将其视为现有对象的别名，这些对象不允许悬空。 - sbi

只需使用std::reference_wrapper。 - baltermia

Answer 1

就我所理解的，引用在底层实现时是作为指针来实现的。你不能将它们存储在映射中的原因纯粹是语义上的；必须在创建引用时初始化，并且之后不能再更改它。这与映射的工作方式不符。

- Sebastiaan M

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你认为引用会占用任何“内存”吗？我知道指针会。 - Jaywalker

@Jaywalker：是的，它们是。在生成的汇编代码中，它们被实现为指针。 - Sebastiaan M

标准文档明确没有说明它们是否具有存储空间。通常情况下，它们会有存储空间，但有时可能会被优化掉。 - sp2danny

Answer 2

你应该将引用看作是“指向非常量对象的const指针”：

MyObject& ~~ MyObject * const

此外，引用只能作为现有东西的别名来构建（指针不需要，但除了NULL之外还是建议这样做）。这并不保证对象会一直存在（如果对象不存在，则通过引用访问对象时可能会出现核心转储），请考虑以下代码：

// Falsifying a reference
MyObject& firstProblem = *((MyObject*)0);
firstProblem.do(); // undefined behavior

// Referencing something that exists no more
MyObject* anObject = new MyObject;
MyObject& secondProblem = *anObject;
delete anObject;
secondProblem.do(); // undefined behavior

现在，STL容器有两个要求：

• T必须是默认可构造的（引用不行）
• T必须是可赋值的（你不能重置一个引用，但你可以给它的引用者分配值）

因此，在STL容器中，你必须使用代理或指针。

现在，使用指针可能会对内存处理造成问题，因此你可能需要：

• 使用智能指针（例如boost::shared_ptr）
• 使用专门的容器：Boost Pointer Container Library

请勿使用auto_ptr，因为它会修改右操作数，从而导致问题。

希望这有所帮助 :)

- Matthieu M.

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小细节：这个 MyObject& firstProblem = *((MyObject*)0); 已经是未定义行为了（你没有使用一个有效对象来初始化引用），因此根据 C++ 标准，它可以格式化你的硬盘或者做其他坏事。（有鼻妖恶魔吗？）但这只是一个非常小的问题，除此之外，你的回答非常好。+1 - sbi

另一个小点：在我看来，默认可构造性不是必需的（除了一些方法使用默认构造实例作为默认参数）。 （20.1.4.1）我认为你指的是可复制。 - UncleBens

对于STL容器而言，通常来说并不需要确切的（Default Constructible）值。但是对于map而言，如果不使用Default Constructible值，则会使得下标操作符（-> operator[]）无效。而且，如果我尝试使用一个非默认构造类型，在VC++2008中会出现错误消息："error C2512: 'Special::Special' : no appropriate default constructor available"。 - Matthieu M.

Answer 3

除了语法糖之外，重要的区别在于引用不能被更改为指向初始化时不同的对象。这就是为什么它们不能存储在映射或其他容器中的原因，因为容器需要能够修改它们包含的元素类型。

作为说明:

A anObject, anotherObject;
A *pointerToA=&anObject;
A &referenceToA=anObject;

// We can change pointerToA so that it points to a different object
pointerToA=&anotherObject;

// But it is not possible to change what referenceToA points to.
// The following code might look as if it does this... but in fact,
// it assigns anotherObject to whatever referenceToA is referring to.
referenceToA=anotherObject;
// Has the same effect as
// anObject=anotherObject;

- Martin B

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除了“容器需要能够修改它们包含的元素类型”这一点，其他都听起来不错。这让人觉得好像地图需要能够更改它存储的数据类型，而实际上它只需要能够更改“元素”本身即可。 - bambams

Answer 4

实际上，您可以在地图中使用引用。我不建议在大项目中这样做，因为它可能会导致奇怪的编译错误，但是：

    map<int, int&> no_prob;
    int refered = 666;
    no_prob.insert(std::pair<int, int&>(0, refered)); // works
    no_prob[5] = 777; //wont compile!!! 
    //builds default for 5 then assings which is a problem
    std::cout << no_prob[0] << std::endl; //still a problem
    std::cout << no_prob.at(0) << std::endl; //works!!

你可以使用map，但很难保证它被正确地使用。然而，我通常在小型代码（通常是竞赛代码）中使用它。

- Eytan

Answer 5

存储引用的容器在构建时必须初始化其所有元素，因此不太实用。

struct container
{
   string& s_;           // string reference
};

int main()
{
   string s { "hello" };
   //container {};       // error - object has an uninitialized reference member
   container c { s };    // Ok
   c.s_ = "bye";
   cout << s;            // prints bye
}

另外，一旦初始化完成，容器元素的存储空间就无法更改。s_ 将始终指向上面的 s 的存储空间。

- tcb

Answer 6

本文解释了指针在底层是如何实现的 - http://www.codeproject.com/KB/cpp/References_in_c__.aspx，该文章也支持Sebastian的回答。

- Chethan Ravindranath

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参考文档中有一些错误。首先，引用并不一定是常量指针（尽管它们可能是这样实现的）。请参见底部jefito的评论。 - Trent