传值与传引用的 区别

问题

1、Java到底是按值传递(Callby Value)，还是按引用传递(Call by Reference)？

2、如下面的代码，为什么不能进行交换？

public CallBy swap2(CallBy a,CallBy b) {

CallBy t = a;

a= b;

b= t;

returnb;

}

3、如下面的代码，为什么能够交换成功？

public int swap2(CallBy a,CallBy b) {

intt = a.value;

a.value = b.value;

b.value = t;

returnt;

}

简单的C++例子

为了解决上面的三个问题，我们从简单的例子开始，为什么是C++的例子呢？看完了你就会明白。

假设我们要交换两个整形变量的值，在C++中怎么做呢？

我们来看多种方式，哪种能够做到.

#include <iostream>



using namespace std;



// 可以交换的例子

void call_by_ref(int &p,int &q) {

intt = p;

p= q;

q= t;

}



// 不能交换的例子

void call_by_val_ptr(int * p,int * q) {

int* t = p;

p= q;

q= t;

}



// 不能交换的例子

void call_by_val(int p,int q){

intt = p ;

p= q;

q= t;

}



int main() {

inta = 3;

intb = 4;



cout<< "---------- input ------------" << endl;

cout<< "a = " << a << ", b = " << b<< endl << endl;



call_by_val(a,b);

cout<< "---------- call_by_val ------------" << endl;

cout<< "a = " << a << ", b = " << b<< endl << endl;



call_by_val_ptr(&a,&b);

cout<< "---------- call_by_val_ptr ------------" << endl;

cout<< "a = " << a << ", b = " << b<< endl << endl;



call_by_ref(a,b);

cout<< "---------- call_by_ref ------------" << endl;

cout<< "a = " << a << ", b = " << b<< endl;

}

因为例子非常简单，看代码即可知道只有call_by_ref这个方法可以成功交换。这里，你一定还知道一种可以交换的方式，别着急，慢慢来，我们先看看为什么只有call_by_ref可以交换。

1、call_by_ref

void call_by_ref(int &p,int &q) {

push %rbp

mov %rsp,%rbp

mov %rdi,-0x18(%rbp)

mov %rsi,-0x20(%rbp)



//intt = p;

mov -0x18(%rbp),%rax

//关键点：rax中存放的是变量的实际地址，将地址处存放的值取出放到eax中

mov (%rax),%eax

mov %eax,-0x4(%rbp)



//p= q;

mov -0x20(%rbp),%rax

//关键点：rax中存放的是变量的实际地址，将地址处存放的值取出放到edx

mov (%rax),%edx

mov -0x18(%rbp),%rax

mov %edx,(%rax)



//q= t;

mov -0x20(%rbp),%rax

mov -0x4(%rbp),%edx

//关键点：rax存放的也是实际地址，同上.

mov %edx,(%rax)

}

上面这段汇编的逻辑非常简单，我们看到里面的关键点都在强调：

将值存放在实际地址中.

上面这句话虽然简单，但很重要，可以拆为两点：

要有实际地址.

要有将值存入实际地址的动作.

从上面的代码中，我们看到已经有“存值”这个动作，那么传入的是否实际地址呢？

// c代码

call_by_val_ptr(&a,&b);



// 对应的汇编代码



lea -0x18(%rbp),%rdx

lea -0x14(%rbp),%rax

mov %rdx,%rsi

mov %rax,%rdi

callq 4008c0 <_Z11call_by_refRiS_>

注意到，lea操作是取地址，那么就能确定这种“按引用传递“的方式，实际是传入了实参的实际地址。

那么，满足了上文的两个条件，就能交换成功。

2、call_by_val

call_by_val的反汇编代码如下：

void call_by_val(int p,int q){

push %rbp

mov %rsp,%rbp

mov %edi,-0x14(%rbp)

mov %esi,-0x18(%rbp)



//intt = p ;

mov -0x14(%rbp),%eax

mov %eax,-0x4(%rbp)



//p= q;

mov -0x18(%rbp),%eax

mov %eax,-0x14(%rbp)



//q= t;

mov -0x4(%rbp),%eax

mov %eax,-0x18(%rbp)

}

可以看到，上面的代码中在赋值时，仅仅是将某种”值“放入了寄存器，再观察下传参的代码：

// c++代码

call_by_val(a,b);



// 对应的汇编代码

mov -0x18(%rbp),%edx

mov -0x14(%rbp),%eax

mov %edx,%esi

mov %eax,%edi

callq 400912 <_Z11call_by_valii>

可以看出，仅仅是将变量a、b的值存入了寄存器，而非”地址“或者能找到其”地址“的东西。

那么，因为不满足上文的两个条件，所以不能交换。

这里还有一点有趣的东西，也就是我们常听说的拷贝（Copy）：

当一个值，被放入寄存器或者堆栈中，其拥有了新的地址，那么这个值就和其原来的实际地址没有关系了，这种行为，是不是很像一种拷贝？

但实际上，在我看来，这是一个很误导的术语，因为上面的按引用传递的call_by_ref实际上也是拷贝一种值，它是个地址，而且是实际地址。

所以，重要的还是那两个条件。

2、call_by_val_ptr

这种方式，本来是可以完成交换的，因为我们可以用指针来指向实际地址，这样我们就满足了条件1：

要有实际地址。

别着急，我们先看下上文的实现中，为什么没有完成交换：

void call_by_val_ptr(int * p,int * q) {

push %rbp

mov %rsp,%rbp

mov %rdi,-0x18(%rbp)

mov %rsi,-0x20(%rbp)

//int* t = p;

mov -0x18(%rbp),%rax

mov %rax,-0x8(%rbp)

//p= q;

mov -0x20(%rbp),%rax

mov %rax,-0x18(%rbp)

//q= t;

mov -0x8(%rbp),%rax

mov %rax,-0x20(%rbp)

}

可以看到，上面的逻辑和call_by_val非常类似，也只是做了将值放到寄存器这件事，那么再看下传给它的参数：

// c++代码

call_by_val_ptr(&a,&b);



// 对应的汇编代码

lea -0x18(%rbp),%rdx

lea -0x14(%rbp),%rax

mov %rdx,%rsi

mov %rax,%rdi

callq 4008ec <_Z15call_by_val_ptrPiS_>

注意到，lea是取地址，所以这里实际也是将地址传进去了，但为什么没有完成交换？

因为不满足条件2：

将值存入实际地址。

call_by_val_ptr中的交换，从汇编代码就能看出，只是交换了指针指向的地址，而没有通过将值存入这个地址而改变地址中的值。

Java

通过上面的例子，我们掌握了要完成交换的两个条件，也了解了什么是传引用，什么是传值，从实际效果来讲：

如果传入的值，是实参的实际地址，那么就可以认为是按引用传递。否则，就是按值传递。而实际上，传值和传引用在汇编层面或者机器码层面没有语义，因为都是将某个”值“丢给了寄存器或者堆栈。

所以，类似Java是按值传递还是按引用传递这种问题，通常没有任何意义，因为要看站在哪个抽象层次上看。

如果非要定义一下，好吧，也许你会在面试中碰到这种问题，那么最好这样回答：

Java是按值传递的，但可以达到按引用传递的效果。

那么，什么是有意义的呢？

上文的那两个条件。

但从编译的角度讲，引用和地址有很强的关系，却不是一回事。

Java按值传递的行为

我们回顾下开头的三个问题中的第二个问题：

如下面的代码，为什么不能进行交换？

public CallBy swap2(CallBy a,CallBy b) {

CallBy t = a;

a= b;

b= t;

returnb;

}

我们首先从比较简单的bytecode看起：

public com.haoran.CallBy swap2(com.haoran.CallBy,com.haoran.CallBy);

descriptor:(Lcom/haoran/CallBy;Lcom/haoran/CallBy;)Lcom/haoran/CallBy;

flags: ACC_PUBLIC

Code:

stack=1, locals=4, args_size=3

0: aload_1

1: astore_3

2: aload_2

3: astore_1

4: aload_3

5: astore_2

6: aload_2

7: areturn

LineNumberTable:

line 45: 0

line 46: 2

line 47: 4

line 48: 6

LocalVariableTable:

Start Length Slot Name Signature

0 8 0 this Lcom/haoran/CallBy;

0 8 1 a Lcom/haoran/CallBy;

0 8 2 b Lcom/haoran/CallBy;

2 6 3 t Lcom/haoran/CallBy;

上面的代码略长了，我们集中精力看这一块：

//t = a

0: aload_1

1: astore_3



//a = b

2: aload_2

3: astore_1



//b = t

4: aload_3

5: astore_2



6: aload_2

代码很简单，注释也表明了在做什么，那么需要不需要看传递给它什么参数呢？

不需要，先看下汇编代码，满足不满足”将值放到实际地址“这个条件，我们截取a = b这一句来观察：

// a = b bytecode

2: aload_2

3: astore_1

/***************************************

* aload_2对应的汇编（未优化）

****************************************/

mov -0x10(%r14),%rax\n



//----------------------------------------



movzbl 0x1(%r13),%ebx

inc %r13

movabs $0x7ffff71ad900,%r10

jmpq *(%r10,%rbx,8)

/***************************************

* astore_1对应的汇编（未优化）

****************************************/

pop %rax

mov %rax,-0x8(%r14)



//----------------------------------------



movzbl 0x1(%r13),%ebx

inc %r13

movabs $0x7ffff71ae100,%r10

jmpq *(%r10,%rbx,8)

如果将上面的代码和c++实例中的call_by_ref和call_by_val对比，就会发现，上面的代码缺失了这样一种语义：

将值放入实际地址中。

其仅仅是将值放入寄存器或者堆栈上，并没有将值放入实际地址这个操作。

为什么不需要观察给这个方法传参的过程？

这是一个很简单的必要条件问题，所以，不需要观察。

从上面的过程来看，Java的行为是Call by Value的。

Java按引用传递的行为

现在来讨论第三个问题：

如下面的代码，为什么能够交换成功？

public int swap2(CallBy a,CallBy b) {

intt = a.value;

a.value = b.value;

b.value = t;

returnt;

}

还是从bytecode先看起：

public com.haoran.CallBy swap2(com.haoran.CallBy,com.haoran.CallBy);

descriptor: (Lcom/haoran/CallBy;Lcom/haoran/CallBy;)Lcom/haoran/CallBy;

flags: ACC_PUBLIC

Code:

stack=2, locals=4, args_size=3

0: aload_1

1: getfield #2 // Field value:I

4: istore_3

5: aload_1

6: aload_2

7: getfield #2 // Field value:I

10: putfield #2 // Field value:I

13: aload_2

14: iload_3

15: putfield #2 // Field value:I

18: aload_1

19: areturn

LineNumberTable:

line 41: 0

line 42: 5

line 43: 13

line 44: 18

LocalVariableTable:

Start Length Slot Name Signature

0 20 0 this Lcom/haoran/CallBy;

0 20 1 a Lcom/haoran/CallBy;

0 20 2 b Lcom/haoran/CallBy;

5 15 3 t I

我们聚焦putfield这句字节码，其对应的是在b.value的值放到操作数栈顶后，拿下这个值，赋给a.value：

a.value = b.value;

因为putfield字节码对应的汇编代码非常长，我们进一步聚焦其宏汇编，因为CallBy类的value字段，是个int型，所以我们关注itos：

// itos

{

__ pop(itos);

if(!is_static) pop_and_check_object(obj);

//关键点：只看这里

__ movl(field, rax);

if(!is_static) {

patch_bytecode(Bytecodes::_fast_iputfield, bc, rbx, true, byte_no);

}

__ jmp(Done);

}

其中关键的一句：__ movl(field, rax);

void Assembler::movl(Address dst, Registersrc) {

InstructionMark im(this);

prefix(dst, src);

emit_int8((unsigned char)0x89);

emit_operand(src, dst);

}

movl对应的汇编代码：

// 对应的关键汇编代码

...

mov %eax,(%rcx,%rbx,1)

...

上面的汇编代码的意思是：

将eax中的值存入rcx + rbx*1所指向的地址处。

其中,eax的值就是b.value的值，而rcx+rbx*1所指向的地址就是a.value的地址。

上面的过程满足了这样的语义：

将值存入实际地址中.

所以，a.value和b.value可以交换，类似这样，Java的按值传递方式也可以表现出按引用传递的行为。

另一种交换值的方式

还记得在C++的实例中，我们提到还有一种交换值的方式，是什么呢？

call_by_WHAT

void call_by_WHAT(int * p,int * q) {

intt = *p;

*p = *q;

*q = t;

}

这样传参：

int main() {

inta = 3;

intb = 4;



cout<< "---------- input ------------" << endl;

cout<< "a = " << a << ", b = " << b<< endl << endl;



call_by_WHAT(&a,&b);

cout<< "---------- call_by_WHAT ------------" << endl;

cout<< "a = " << a << ", b = " << b<< endl;

}

会不会交换呢？

// 输出



---------- input ------------

a = 3, b = 4



---------- call_by_WHAT ------------

a = 4, b = 3

从这种方式中，我们也看到了所有能够交换值的方式的统一性：

指针p、q或者对象引用objectRef，能够直接指向对象的实际地址。

要有一个将值放入实际地址的操作：

// C/C++

*p = *q;

...



// Java

putField -> a.value = b.value

...



// 汇编

mov reg_src , (reg_dst)

mov reg_src , (addr_dst)

...

结语

老生常谈，并无LUAN用，终。