我對變數產生了這些想法

大愚Talk發表於2018-06-02
變數

最近在學習Golang的過程中，發現一個有意思的事情，有的文章說函式呼叫傳參時 slice 是引用傳遞，有的說是值傳遞。為什麼同一個東西大家會不同認識？為了搞清楚其本質，我進行了以下內容的研究：

  1. 變數的變數名、變數值、變數地址在記憶體中是怎麼樣的？
  2. 指標的定義是什麼？引用的定義是什麼？二者有什麼關係？
  3. 函式傳參中值傳遞、指標傳遞與引用傳遞到底有什麼不一樣？
  4. Go中 slice 在傳入函式時到底是不是引用傳遞？如果不是，在函式內為什麼能修改其值？

為了避免文章寫的過長，看了想瞌睡，分成兩篇文章來解釋這個問題，本文先解決問題1跟2，下一篇說明餘下的問題。

變數名程式設計師給地址取的外號

上學的時候，老師講變數是存在記憶體中的，記憶體就像一排排抽屜組成的，每個抽屜上面有個編號，我們定義一個變數，就是把想放的東西放到這個對應編號的抽屜裡。比如： int a = 10，用圖來表示下：

ref1

這裡：變數的名字叫 a ，變數的值是：10，變數的地址是：0x 00000001。 那麼問題來了，變數的值我們知道是放在了抽屜裡（記憶體中），每個抽屜有編號（地址），但是變數的名字 a 存放在哪裡呢？或者說它會存在於記憶體中嗎？

大家想一個問題，如果變數的名字要存放在記憶體中，那麼肯定分配一個空間給他，儲存它的空間有個地址，這個地址是不是又得有個地方存起來程式才能找到？如果真是這樣設計，那麼程式碼根本沒發寫、無法執行了。

其實變數名僅僅是寫給程式設計師看的，讓我們寫程式碼的時候知道這個變數有什麼用，能夠通過名字呼叫變數的值。因為如果直接給你一個地址 0x 23004123，你知道這是要幹嘛嗎？程式碼經過編譯後，最終都會轉換成機器碼，我們定義的變數名就都不存在了，存在的只有地址跟值。

指標其實很普通

有了上面的理解，再來一個特殊的變數：指標變數。什麼叫指標變數呢？其實就是這個變數裡邊存放的是一個變數的地址，通過這個地址，機器可以找到對應變數的值，例如：int * pa = &a，就表示變數 pa 抽屜裡放的是 a 的地址，它的型別是：int*，繼續看圖：

ref2

這裡需要重要說明的是：指標pa與a的關係是：a抽屜裡邊放的是變數值10，pa放的是變數的地址：0x00000001，這裡一定要記住，下面說引用的時候才更容易理解。

引用就是變數的另一名字

繼續談引用，引用與指標我們經常傻傻分不清，因為它們的行為確實非常詭異，看起來效果非常相似，看程式碼：

由於引用的概念是在 c++ 中引入的，因此下面的程式碼使用c++，僅僅是一些列印而已，放心看下去


int main() {
    int a = 10;// 變數
    int * pa = &a; // 指標
    int & b = a; // 引用

    printf("a: %d\n", a);// a: 10
    printf("*pa: %d\n", *pa);// *pa: 10
    printf("b: %d\n", b);// b: 10

    *pa = 20;
    printf("a: %d\n", a);// a: 20
    printf("*pa: %d\n", *pa);// *pa: 20
    printf("b: %d\n", b);// b: 20

    b = 30;
	  printf("a: %d\n", a);// a: 30
    printf("*pa: %d\n", *pa);// *pa: 30
    printf("b: %d\n", b);// b: 30

	  a = 40;
	  printf("a: %d\n", a);// a: 40
    printf("*pa: %d\n", *pa);// *pa: 40
    printf("b: %d\n", b);// b: 40
    return 0;
}
複製程式碼

通過上面的程式碼我們發現，指標與引用都能達到一個效果：都有能力修改a的值，指標前面講過了，因為它儲存了a的地址，通過解引用操作後，實際上就是開啟了a的抽屜，因此可以進行修改。那麼引用又是怎麼辦到的？這裡注意一個細節：*pa = 20； c = 30；a = 40。我們看到操作c的時候與操作a是一樣的方式：直接使用變數名，但是pa要想改變a的值，必須進行 *pa 操作（解引用），如果直接 pa=20，這僅僅是改變的pa的值，讓他指向了另外一個地址。

為什麼引用與變數是一樣的操作方式？先來看一下引用的定義：

引用就是某一變數的一個別名，對引用的操作與對變數直接操作完全一樣。

那麼別名是什麼意思呢？繼續看圖，一看就懂

ref3
看到了吧？a就是b，b就是a。系統並不會為引用額外分配空間進行儲存，甚至可以簡單理解為：這個別名僅僅是為了給程式設計師看的，到機器碼層面的時候，他們都會變成地址：0x 00000001。

有碼為證

通過上面的分析不知道你理解了幾分？或者你是不是對指標與引用還是半信半疑？沒關係，寫點程式碼證明一下即可，我們要證明的是：

  • 引用是變數的別名，那麼它的地址應該與變數一致；
  • 指標儲存的是變數的地址，那麼它的值是變數的地址，它自身的地址與變數不同。

為了證明，程式設計如下：定義一個變數，分別賦值給指標、引用，然後檢查他們對應的值與地址。

int main() {
    int a = 10;
    printf("%d\n", a);
    printf("%p\n", &a);

    printf("~~~~~~~~~~~~~~\n");
    int * b = &a;
    printf("%p\n", b);
    printf("%p\n", &b);

    printf("~~~~~~~~~~~~~~\n");
    int & c = a;
    printf("%d\n", c);
    printf("%p\n", &c);
    return 0;
}
複製程式碼

獲得輸出：

10 // 變數a的值
0x7ffee3c7a768 // 變數a的地址
~~~~~~~~~~~~~~
0x7ffee3c7a768 // 指標的值，是變數a的地址
0x7ffee3c7a760 // 指標變數自己的地址
~~~~~~~~~~~~~~
10 // 變數a的值
0x7ffee3c7a768 // 引用變數c的地址，與變數a的地址完全一樣
複製程式碼

在上面如果指標想要列印變數a的值，需要解引用操作：printf(“%d\n”, *b);

小結

  • 變數由三分部分構成：變數名、變數值、變數地址；
  • 變數名實際上只是給程式設計師看的，編譯後的程式碼中並不存在變數名；
  • 指標變數就是一個變數儲存了另外一個變數的地址，系統也會為他分配記憶體空間來儲存這個地址；
  • 引用實際是變數的別名，他跟變數有相同的地址。

下次預告：

  1. 函式傳參中值傳遞、指標傳遞與引用傳遞到底有什麼不一樣？
  2. 為什麼說 slice 是引用型別？
  3. Go中 slice 在傳入函式時到底是不是引用傳遞？如果不是，在函式內為什麼能修改其值？

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