C++的数组元素为什么不能是引用类型

感谢原作者分享：http://blog.xinspace.space/2015/01/25/cpp-array-element-not-ref/

这几天在看c++基础内容，看到数组的时候，书里提到数组元素的约束条件：

1.元素类型支持赋值操作。

2.元素类型支持复制。

因此，除了引用类型对象和流对象外，其他的任意内置类型和满足上述约束的类类型均能成为数组的元素。

流对象不能成为数组元素是因为它不支持复制和赋值，不满足上述的两条约束。而引用却是可以赋值和复制呀，为什么数组元素不能是引用呢？

先讲一下引用的某些特点：

1.引用是对象的另一个名字（这里的对象指内存的区域，如int所占内存4个字节）。定义一个对象的引用，该引用并不占内存空间，它只是这个对象的别名。

举个例子：

int i = 10;该语句定义变量i为整型，占用4字节内存空间，初始值是10。粗略的说，这条语句在执行时操作系统从内存中分配4字节（假如地址是0x00000000-0x00000003）,将这4个字节贴一个标签，叫i（若没有标签，想要读写这4字节就只能使用二进制或十六进制的地址了，比较麻烦）。之后，若程序读写i，就代表着读写这4个字节。所以i就是这4字节对象（这个对象指内存的特定区域，并不是面向对象中的对象）的一个名字或标签。对i赋值，就会把值写入到这4个字节的对象中。通过i可以方便的访问内存中的对象。i本身不占用内存空间，i代表的对象占用4字节空间。

int &ir = i;该语句定义引用ir，将其绑定到i所代表的对象。所以，ir就像i一样是一个名字、标号，ir代表的对象与i一样而已，就是0x00000000-0x00000003这4个字节。

那么定义一个变量和定义一个引用有什么区别吗？可以这么理解，定义变量时操作系统帮我们分配的内存空间（对象）、把变量名作为该对象的标签绑定到该对象上。而定义引用时操作系统只帮我们产生了一个标签，但是不会产生对象，当然也不会将这个标签绑定到某个对象上。因此，将引用这个标签绑定到对象上的工作需要程序员来做。

2.引用必须绑定到相应的对象。引用在定义时必须初始化，绑定到相应的对象，且之后不能更改。

从第1个特点来看，程序员必须手动将引用绑定到某个对象上。这就要求在定义引用时就必须给他提供初始化式，这个初始化式代表了某个对象（即内存中的某片区域）。如果程序员不这么做，那么这个标签的存在就没有意义，毕竟不能读写一个标签（即不能读写标签所代表的内存空间）在程序中没有任何意义，因此编译时便会报错。

而且引用在绑定到一个对象之后，不能够再改变。这很好理解：如果标签Q能够绑定到不同的对象的话，那么程序中不同位置出现的Q到底代表了哪个对象？是0x00000000-0x00000003（4字节，如int型）还是0x00000011-0x00000018（8字节，如double型）？因此，只要这个对象生命周期还未结束（在同一个作用域中），这个标签就一直贴在它身上，不能再用于其他对象。当然，不同的作用域可以出现重复的标签，这另当别论。

再说一下为什么数组的元素不能为引用：

1.大数组初始化麻烦。引用在定义时必须初始化。若数组元素是引用的话，则必须对每个元素进行初始化。比如int a[100000000]这样的大数组，一一赋值很麻烦。就算你可以一一初始化每个元素，那么往下看。

2.破坏数组元素的内存存放连续性。数组的一大优点就是可以随机快速访问某个元素，这是因为数组不仅在逻辑上连续，在物理上也连续。如对数组int a[10],给其第4个元素赋值可以写为：*(a+3) = 15;。能这么写是因为数组元素在内存中是连续存放的，如果数组a的首地址为0x00000000,那么a[0]的地址是0x00000000,a[1]的地址是0x00000004,a[2]的是0x00000008，以此类推。a中每个元素都占用4个字节空间，每个元素在逻辑上是连续的，即第2个元素紧接着第1个元素；同样，数组在物理内存中的存放也是连续的，即第2个元素的地址紧挨着第1个元素。

那么，数组元素为引用会是什么情况？上面引用第1个特点中提到，引用只是标签，需要手动绑定到某个对象(地址区域)才行。那么在给数组中的引用初始化时，不能保证逻辑上连续的引用元素所绑定的对象也正好物理上连续。

举个例子：

假如引用数组是合法的，编译可以通过，那么根据语法来说，定义语句应该是这样的：int &a[4]，a是一个数组，有4个元素，每个元素都是引用。当然，我们还需要对每个元素进行初始化，所以写全的话是这样：

//首先定义4个对象，内存地址、标签和初值如下：

int i1 = 10; //内存地址是0x00000000-0x00000003,初值是10

int i2 = 11;//内存地址是0x00000014-0x00000017,初值是11

int i3 = 12;//内存地址是0x0000000c-0x0000000f,初值是12

int i4 = 13;//内存地址是0x00000020-0x00000023,初值是13

int &a[4] = {i1, i2, i3, i4};//a的4个元素分别绑定到4个对象。

这样看来，既然a是数组，那么逻辑上第1个元素紧挨着第2个元素，物理上也应该如此。但是这个例子告诉我们，a数组的元素在物理上并不连续，a[0]的地址是i1的地址，a[1]的地址是i2的地址，以此类推。甚至a[2]的地址比a[1]的地址还要靠前（本应该靠后才对）。

正是由于引用只是别名，不占用内存空间，才导致了上述的这个问题，使得数组在物理上不连续了。这样的话类似*(a+3)=15;的语句就行不通了。因为a+3是这样计算的：a的地址+3×元素所占字节数。这么计算的根基就是必须保证物理连续，否则无法通过数组首地址推出其余元素的地址。

3.操作系统无法为引用数组分配空间。对象是要占用内存空间的，如int a[10];这条定义语句定义了一个有10个整型元素的数组，因此操作系统在运行时从内存划出40字节留给数组a，然后访问a就会访问这40字节的地址。但是引用是不占用内存的，它只是名字，所以如果数组元素是引用的话，如int &ar[10]={….};，这个数组到底占用多少内存？不知道！因为引用不占用空间，操作系统无法给数组分配内存空间，也就无法读写这个数组。无法读写的数组还有意义吗？

综上所述，数组的元素不能是引用。