[Modern C++] 2. 참조자(레퍼런스)

윤정민·2023년 6월 29일

C++

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1. 참조자(레퍼런스)

참조자: 별명, 즉 또다른 이름으로 반드시 정의 시 누구의 별명이 될 것인지 지정해야 한다.(한번 별명이 되면 절대로 다른 이의 별명이 될 수 없음)

레퍼런스는 메모리 공간 속에 존재하지 않을 수 있음
- 레퍼런스를 위해 새로운 공간을 할당할 필요가 없을 수도 있음
레퍼런스(reference)는 &기호를 이용해서 표기

#include <iostream>

int main() {
    int a = 3;
    int& another_a = a;
}

2. 참조자의 참조자

int a = 1;
int& b = a;
int& c = b;

c = 2;

위의 경우에, "c=2"를 실행하면 a,b,c의 값이 전부 2로 바뀜
- 세 변수 모두 같은 곳을 가리키고 있기 때문
c가 b를 가리키기 위해 &&같은 식으로 사용할 필요가 없음

3. 상수에 대한 참조자(에러)

아래 코드를 컴파일 해보면 오류가 나타남
- 상수 값 자체는 리터럴이기 때문에 레퍼런스로 참조를 한다면 리터럴의 값을 바꾸는 행위가 가능해지기 때문

#include <iostream>

int main() {
  int &ref = 4;

  std::cout << ref << std::endl;
}

상수 참조자로 선언한다면 리터럴도 참조 가능

const int &ref = 4;
int a = ref;

4. 레퍼런스의 배열과 배열의 레퍼런스(오류)

아래 코드를 컴파일 해보면 오류가 나타남

c++에서 배열을 처리하는 방식을 생각해보면 배열의 이름은 첫 번째 원소의 주소값으로 변환이 될 수 있어야하기때문에 arr[1]은 *(arr+1)로 변환가능하다. 이때 주소값이 존재한다는 의미는 해당 원소가 메모리 상에서 존재한다는 의미이기 때문에 레퍼런스는 특별한 경우가 아닌 이상 메모리 상에 존재하지 않으니 레퍼런스들의 배열을 정의하는 것은 모순이다.

int a, b;
int& arr[2] = {a,b};

배열들의 레퍼런스는 가능
- 반드시 배열의 크기를 명시해야 함

#include <iostream>

int main() {
  int arr[3] = {1, 2, 3};
  int(&ref)[3] = arr;  //ref[0]부터 ref[2]가 각각 arr[0]부터 arr[2]의 레퍼런스가 됨

  ref[0] = 2;
  ref[1] = 3;
  ref[2] = 1;

  std::cout << arr[0] << arr[1] << arr[2] << std::endl;
  return 0;
}

5. 레퍼런스를 리턴하는 함수

int function() {
  int a = 2;
  return a;
}

int main() {
  int b = function();
  return 0;
}

function안에 정의된 a라는 변수의 값이 b에 복사 됨
function이 종료되고 나면 a는 메모리에서 사라짐

5.1. 지역 변수의 레퍼런스를 리턴

int& function() {
  int a = 2;
  return a;
}

int main() {
  int b = function();
  b = 3;
  return 0;
}

해당 코드를 컴파일 한다면 경고가 나옴(오류는 아님)
- 실행시 런타임 오류가 발생
  - function안에 정의된 a의 참조자를 리턴하게 되는데 function이 종료됨과 동시에 a또한 사라지니 런타임 오류가 발생

5.2. 외부 변수의 레퍼런스를 리턴

int& function(int& a){
  a = 5;
  return a;
}

int main()
{
  int b = 2;
  int c = function(b);
  return 0;
}

해당 코드도 function이 레퍼런스를 리턴하고 있음
- 인자로 받은 레퍼런스를 그대로 리턴
  - function(b)를 실행한 시점에서 a는 main의 b를 참조해 아직 살아있는 b를 계속 참조하게 됨
  - 따라서 int c = function(b);는 c에 현재의 b값인 5를 대입하는 것과 동일

5.3. 참조자를 리턴하는 경우 장점

c언어 에서 매우 큰 구조체가 있을 때 해당 구조체 변수를 그냥 리턴하면 전체 복사가 발생해 시간이 오래 걸리지만, 해당 구조체를 가리키는 포인터를 리턴한다면 그냥 포인터 주소 한번 복사로 매우 빠르게 끝남
레퍼런스 또한 마찬가지로 레퍼런스가 참조하는 타입의 크기와 상관없이 딱 한번의 주소값 복사로 전달이 끝남

5.4. 참조자가 아닌 리턴 값을 참조자로 받기

int function()
{
  int a = 5;
  return a;
}

int main()
{
  int& c = function();
  return 0;
}

위 코드를 컴파일 하게 되면 상수가 아닌 레퍼런스가 function 함수의 리턴값을 참조할 수 없다는 오류가 발생
- 함수의 리턴값은 해당 문장이 끝난 후 사라지는 값이기 때문에 참조자를 만들게 되면 바로 다음에 댕글링 레퍼런스가 되버리기 때문
예외
```
int function()
{
  int a = 5;
  return a;
}

int main()
{
  const int& c = function();
  std::cout<<"c : "<< c <<std::endl;
  return 0;
}
```
- 위 코드를 실행하게 되면 정상적으로 작동함
  - 원칙상 함수의 리턴값은 해당 문장이 끝나면 소멸되는 것이 정상이지만 예외적으로 상수 레퍼런스로 리턴값을 받게 되면 해당 리턴값의 생명이 연장됨
    - 연장기간은 레퍼런스가 사라질 때 까지

6. 정리

	함수에서 값 리턴(`int f()`)	함수에서 참조자 리턴(`int& f()`)
값 타입으로 받음`int a = f()`	값 복사됨	값이 복사되지만 지역 변수의 레퍼런스를 리턴하지 않도록 주의
참조자 타입으로 받음`int& a = f()`	컴파일 오류	가능하지만 지역 변수의 레퍼런스를 리턴하지 않도록 주의
상수 참조자 타입으로 받음`const int& a = f()`	가능	가능 하지만 지역 변수의 레퍼런스를 리턴하지 않도록 주의

7. Discussion

Q1. 레퍼런스가 메모리 상에 반드시 존재해야 하는 경우는 어떤 경우일까?

A1. 일반적으로 레퍼런스는 그저 별칭이기 때문에 메모리상에 존재하지 않음
Q2. 그리고 메모리 상에 존재할 필요가 없는 경우는 또 어떤 경우일까?
A2. 함수 인자로 사용되어 값을 전달받게 되면 메모리가 할당됨
- call by reference를 하게 되면 참조자를 받을 때 주소를 전달하기 위해 메모리가 사용됨(함수에 넘겨주기 위해 메모리상에 존재하게 됨!)