C++中引用与普通变量内存消耗差异及汇编问题解析

1. 引用与普通变量的内存消耗差异 #

从x86-64环境下无优化编译的栈布局可以直接算出两者的实际占用：

• 普通int型变量numVarible放在栈偏移[rbp-12]的位置，占用4字节，和int类型本身的大小完全一致
• int型引用numReference放在栈偏移[rbp-8]的位置，占用8字节，和x86-64架构下的指针大小完全一致

也就是说，在无优化编译的实现下，引用本质就是通过指针存储被引用对象的地址，所以单看栈上的内存占用，引用的开销等于同架构下的指针大小，在x86-64环境下是同类型普通int变量的2倍。
需要说明的是，这只是无优化编译的表现，当开启最高等级优化后，编译器大多会直接把引用作为被引用对象的别名处理，不会给引用本身分配任何栈空间，此时引用不会产生任何额外内存开销。

2. 返回引用时汇编行数变多的原因 #

把修改前后的返回指令流程拆开对比就能明确原因：

• 原返回普通变量numVarible的流程是单步：直接从固定栈偏移[rbp-12]位置，把存储的4字节int值读到返回值寄存器eax里，对应单行汇编mov eax, DWORD PTR [rbp-12]
• 修改为返回引用numReference后的流程分为两步：
  1. 先从栈上的引用存储位置[rbp-8]，把之前存的被引用对象的8字节地址读到rax寄存器，对应mov rax, QWORD PTR [rbp-8]
  2. 再拿rax里存的地址做间接寻址，从地址指向的内存位置读出4字节的int值，放到eax作为返回值，对应mov eax, DWORD PTR [rax]

本质上，无优化编译下的引用是独立的栈存储单元，存的不是被引用的值本身，而是指向被引用对象的地址。要获取引用对应的实际值，必须先读出这个地址，再顺着地址读目标值，多了一层间接寻址的流程，自然就比直接访问固定栈位置的普通变量多了一行指令。
这种额外的指令开销也只存在于无优化编译场景，开优化后编译器会直接消掉引用的存储和间接寻址过程，访问逻辑和普通变量完全没有差异。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者mariolu