探索c++的底層機制


在看這篇文章之前，請你先要明白一點：那就是c++為我們所提供的各種存取控制僅僅是在編譯階段給我們的限制，也就是說是編譯器確保了你在完成任務(wù)之前的正確行為，如果你的行為不正確，那么你休想構(gòu)造出任何可執(zhí)行程序來。但如果真正到了產(chǎn)生可執(zhí)行代碼階段，無論是c，c++,還是pascal，大家都一樣，你認為c和c++編譯器產(chǎn)生的機器代碼會有所不同嗎，你認為c++產(chǎn)生的機器代碼會有訪問限制嗎？那么你錯了。什么const，private，統(tǒng)統(tǒng)沒有（const變量或許會放入只讀數(shù)據(jù)段），它不會再給你任何的限制，你可以利用一切內(nèi)存修改工具或者是自己寫一個程序?qū)δ骋贿M程空間的某一變量進行修改，不管它在你的印象中是private，還是public，對于此時的你來說都一樣，想怎樣便怎樣。另外，你也不要為c++所提供的什么晚期捆綁等機制大呼神奇，它也僅僅是在所產(chǎn)生的代碼中多加了幾條而已，它遠沒有你想象的那么智能，所有的工作都是編譯器幫你完成，真正到了執(zhí)行的時候，計算機會完全按照編譯器產(chǎn)生的代碼一絲不茍的執(zhí)行。你明白我在說什么嗎？對了，如果你從前接觸過匯編，只要你反匯編一段c++代碼，你就會說：原來是這么回事呀，c++只不過是把我們的問題進行了更高層次的抽象，但只要你解開面紗，回到問題的本源，一切都將變得不再神秘……
（以下的反匯編代碼均來自visial c++ 7.0）
一．讓我們從變量開始-----并非你想象的那么簡單
變量是什么，變量就是一個在程序執(zhí)行過程中可以改變的量。換一個角度，變量是一塊內(nèi)存區(qū)域的名字，它就代表這塊內(nèi)存區(qū)域，當我們對變量進行修改的時候，會引起內(nèi)存區(qū)域中內(nèi)容的改變。但是你若是學習過匯編或是計算機組成原理，那么你就會清楚對于一塊內(nèi)存區(qū)域來說，根本就不存在什么名字，它所僅有的標志就是他的地址，因此我們?nèi)粝胄薷囊粔K內(nèi)存區(qū)域的內(nèi)容，只有知道他的地址方能實現(xiàn)?？磥硭^的變量一說只不過是編譯器給我們進行的一種抽象，讓我們不必去了解更多的細節(jié)，降低我們的思維跨度而已。例如下面這條語句：
int a=10;
按照我們的思維習慣來講，就是“存在一個變量a，它的值是10”，一切都顯得那么的自然。我們不必去在乎什么所謂的地址以及其他的一些細節(jié)。然而在這條語句的底層實現(xiàn)中，a已經(jīng)不能算是一個變量了，它僅僅是一個標記，代表一個地址的標記：
mov dword ptr[a],0Ah;
怎么樣，這條語句不像上面那條易于接受吧，因為它需要了解更多的細節(jié)，你幾乎不能得到編譯器的任何幫助，一切思維上的跨越必須由你自己完成。這條語句應(yīng)該解釋為“把10寫入以a為地址的內(nèi)存區(qū)域”。你說什么？a有些像指針？對，的確像，但還不是，只不過他們的過程似乎是類似的。這里所說的跨越實際上就是從一個現(xiàn)實問題到具體地址以及內(nèi)存區(qū)域的跨越。
二．引用：你可以擁有引用，但編譯器僅擁有指針（地址）
看過了第一條，你一定對編譯器的工作有了一定的了解，實際上編譯器就是程序員與底層之間的一個轉(zhuǎn)換層，它把一個高級語言代碼轉(zhuǎn)換為低級語言代碼，一個編譯器完成的轉(zhuǎn)換跨度越大，那么它也就會越復(fù)雜，因為程序員的工作都由他代為完成了。C++編譯器必然比匯編編譯器復(fù)雜就是這個道理。如果我問你引用和指針是一樣的嗎？你或許會說當然不一樣了，指針容易產(chǎn)生不安全的因素，引用卻不會，真的不會嗎？我們來看下面這段代碼：
int *e=new int(10);
int &f=*e;
delete e;
f=30;
你認為上面這段代碼怎么樣，我感覺就不很安全，它和指針有相同的隱患。因為它所引用的內(nèi)存區(qū)域就不合法。
我個人認為，所謂的引用其實就是一種指針，只不過二者的接口并不相同，引用的接口有一定的限制。指針可以一對多，而引用卻只能一對一，即&refer不能被改變，但卻并不能說一對一就是安全的，只不過危險的系數(shù)降低罷了。引用比指針更容易控制。
Ok,下面來說說指針，曾經(jīng)有過匯編經(jīng)驗的人一定會說，恩，指針的某些地方有些像匯編，尤其是那個“*”，怎么就那么像匯編中的“[]”啊。呵呵，的確，它也涵蓋了一個尋址的過程?？磥碇羔樀拇_是個比較低級的東西。然而引用卻并不那么直接，雖然程序員用起來方便安全了許多。但是你要清楚，只有你可以擁有引用，編譯器可沒有這個工具，計算機并不認識這個東西。因此，它的底層機制實際上是和指針一樣的。不要相信只有一塊內(nèi)存拷貝，不要認為引用可以為你節(jié)省一個指針的空間，因為這一切不會發(fā)生，編譯器還是會把引用解釋為指針。不管你相不相信，請看下面這段代碼：
int& b=a;
lea eax,[a];
mov dword ptr[b],eax;把a的地址賦給地址為b的一塊內(nèi)存

b=50;
mov eax,dword ptr[b];
mov dword ptr[eax],32h;

int *d=&a;
lea eax,[a];
mov dword ptr[d],eax

*d=60;
mov eax,dword ptr[d]
mov dword ptr[eax],3ch;
以上的代碼均來自具體的編譯器，怎么樣，相信了吧，好，讓我再來做一個或許不怎么恰當?shù)谋葦M，你一定編過有關(guān)線性表和棧的程序吧，線性表是一個非常靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在他上面有許多的操作，然而棧呢，它是一個限制性操作的線性表，它的底層操作實際上是由線性表操作實現(xiàn)的。就好比stack與vector的關(guān)系，因此指針和引用的關(guān)系就好比線性表和棧的關(guān)系，引用也就是受限的指針，它對外的接口和指針雖然并不一樣，但底層是相同的。
下面再來看看引用的一個重要用途，作為函數(shù)的參數(shù)傳遞的時候是怎樣的情形：
void swapr(int &a, int &b)；
void swapr(int* a, int *b)；

int a=10;
int b=20;

swapr(a, b);
lea eax,[a];
push eax; //把a的地址壓入堆棧
lea ecx,[b];
push ecx;
call swapr;

swapr(&a, &b);
lea eax,[a];
push eax;
lea ecx,[b];
push ecx;
call swapr;
怎么樣，用引用和指針傳遞參數(shù)無論是在效率上還是在空間上都是完全一樣的，如果妄想不傳入地址就修改實參的值，簡直就是天方夜譚，這就說明引用的本質(zhì)就是指針。畢竟它們的行為都太相似了，如果不是這樣，你還有什么方法去實現(xiàn)引用嗎？記住，引用只不過是編譯器為你提供的一個有用且安全的工具，對于機器代碼可無法表示它，它把指針一對多的缺點去除，禁止了你的不安全的操作。但回到問題的本源，他們沒有任何區(qū)別。

Ok，現(xiàn)在關(guān)于引用我想說的就這些，不知道你有什么看法呢，這篇文章中一定存在著許多錯誤以及誤解，我希望你能指正，