c++ 참조자 질문

일단 N4659(http://www.open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2017/n4659.pdf) 기반으로.

이하 "cv1 T1" 타입에 대한 reference를 "cv2 T2"타입의 expression으로 초기화할 수 있는 조건들이 쭉 나오는데 다 필요하지도 않고 인용하기 귀찮으므로 모두 알고 싶으시면 위 표준 드래프트 문서에서 11.6.3.5를 읽어 나가시면 됩니다. 여기선 필요한 만큼만 인용하도록 하죠.

const int *(&pref) = p;

레퍼런스는 lvalue reference이고, 대상 타입은 "cv1 T1" = "const int *"이므로 cv1 = (none), T1 = "const int *"
표현식 p는 lvalue이고 타입은 "cv2 T2" = "int *"이므로 cv2 = (none), T2 = "int *"

11.6.3.5 조건 체크:
(5.1) lvalue reference인가? 예.
(5.1.1) expression이 lvalue인가? 예. "cv1 T1"이 "cv2 T2"에 reference-compatible한가? 아니오. (const int *는 int *에 reference-related 하지 않음)
(5.1.2) expression이 class type인가? (i.e., T2가 class type인가?) 아니오.
(5.2) 레퍼런스가 non-volatile const type에 대한 lvalue reference이거나 (즉 cv1가 "const"), rvalue reference인가? 아니오.

체크 끝. 모든 조건이 실패하므로 const int *(&pref) = p;은 컴파일 되지 않습니다.

재미삼아 const int &ref = a;는 왜 되는지 볼까요? 마찬가지로...

레퍼런스는 lvalue reference이고, 대상 타입은 "cv1 T1" = "const int"이므로 cv1 = "const", T1 = "int"
표현식 a는 lvalue이고 타입은 "cv2 T2" = "int"이므로 cv2 = (none), T2 = "int"

11.6.3.5 조건 체크:
(5.1) lvalue reference인가? 예.
(5.1.1) expression이 lvalue인가? 예. "cv1 T1"이 "cv2 T2"에 reference-compatible한가? 예. (T1 = T2 = "int"이므로 T1은 T2에 reference-related이고, cv1 = const > cv2 = (none)으로 cv1은 cv2보다 greater cv-qualification이므로.)

체크 끝. 이 경우 ref는 a에 묶입니다. (reference binding)

const int *p2 = p;는 앞에서 말씀드렸듯 전혀 다른 문젭니다. 이건 레퍼런스 초기화가 아니라 그냥 포인터 변수 초기화죠. p의 값(a의 주소. 타입 int *)이 qualification conversion을 거쳐 const int *이 되고, 그 값으로 p2를 초기화하는 겁니다.

이상 C++17 표준 드래프트를 바탕으로 각 초기화가 어떻게 허용되고 어떻게 금지되는지 설명이 된 것 같군요.

하지만 왜?를 묻는다면 이야기가 조금 달라집니다. C++언어 표준은 마치 프로그램과도 같아서 뭔가를 할 수 있는 절차는 잘 알려주지만, 그 Rationale을 친절히 설명해 주진 않거든요. 그러니 이 아래부터는 제 주관적인 해석입니다.

non-constant lvalue reference에 lvalue를 직접 묶는다는 것은 reference가 대상 lvalue의 alias가 되는 셈입니다. 특히나 레퍼런스만 가지고 원본 lvalue를 덮어쓸 수 있기 때문에 문제가 되는데요. 이런 경우를 생각해보시죠.

#include <iostream>
 
int main()
{
	char a[] = "hello"; // 수정 가능한 문자 배열 a
	char *p = a; // 배열 a의 첫 요소를 가리킴 (가리키는 문자는 수정 가능)
	const char *p2 = "world"; // 수정 불가능한 string literal을 가리키는 포인터 p2. (가리키는 문자는 수정 불가능)
 
	const char *&pref = p; // 앞서의 예에서 int 대신 char를 사용함. 원래 컴파일이 안 되지만, 만약 된다면 pref는 p를 참조해야겠죠.
	pref = p2; // pref는 const char *를 가리키는 non-constant lvalue reference이고, 즉 p를 가리키는 modifiable lvalue가 됩니다. 이걸 p2로 덮어쓴다면, p에 p2의 값이 덮어쓰이는 거죠.
	p[0] = '@'; // p는 (pref에 의해 간접적으로 덮어쓰여져) 현재 string literal "world"를 가리키고 있습니다. 하지만 char * 타입이죠. 이런 식으로 덮어쓰는 걸 타입 수준에서 막을 수 있는 방법이 없어요.
	// 처음부터 p = p2;를 시도했으면 const char *를 char *로 바꿀 방법이 없으므로 강제로 캐스팅하지 않는 한 컴파일이 안 됐겠죠.
	return 0;
}

위와 같은 이상한 짓을 강제 타입 캐스팅 없이 시도할 수 있다는 것은 뭔가 문제가 있다는 뜻이지요. 저는 바로 이런 경우를 막기 위해서 pref와 같은 reference 초기화를 금지했을 거라고 생각합니다.