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《面试指南》：指针和引用的区别是什么_赋值

一、区别

  1. 基本性质：
  • 指针：指针是一个变量，其值为另一个变量的地址，即，内存位置的直接地址。
  • 引用：引用并不是一个真正的变量，它只是另一个已存在变量的别名。
  1. 可变性：
  • 指针：指针可以被重新赋值，以指向另一个对象。
  • 引用：一旦引用被初始化以引用一个对象，它就不能改变为引用另一个对象。引用必须在创建时被初始化。
  1. 空值：
  • 指针：指针可以为 NULL。
  • 引用：引用不能为 NULL。

在 C++ 中，引用不能为 NULL，主要原因是设计者为了保持引用的安全性和一致性。

  1. 安全性：引用在创建时必须被初始化，并且一旦被初始化后就不能改变引用的对象。这意味着引用总是引用一个有效的对象。如果允许引用为 NULL，那么在使用引用时就需要检查它是否为 NULL，这将增加编程的复杂性和出错的可能性。
  2. 一致性：在 C++ 中，引用被设计为一个已存在对象的别名，它没有自己的地址和存储空间。如果允许引用为 NULL，那么这个规则将被打破，因为 NULL 是一个特殊的值，表示没有指向任何对象。
  3. 易用性：引用的主要用途是作为函数的参数和返回值，以提供一种安全和方便的方式来操作数据。如果允许引用为 NULL，那么在使用引用时就需要额外的检查和处理，这将降低编程的效率和便利性。
  1. 间接性：
  • 指针：可以有多级指针（即，指针的指针）。
  • 引用：没有“引用的引用”的概念。

在 C++ 中，没有“引用的引用”的概念，主要原因是设计者为了保持语言的简洁性和一致性。

  1. 简洁性：引用在创建时必须被初始化，并且一旦被初始化后就不能改变引用的对象。这意味着引用总是引用同一个对象，因此没有必要创建“引用的引用”。如果允许“引用的引用”，那么语言的复杂性将增加，因为需要定义和处理更多的规则和特例。
  2. 一致性：在 C++ 中，引用被设计为一个已存在对象的别名，它没有自己的地址和存储空间。如果存在“引用的引用”，那么这个规则将被打破，因为“引用的引用”将需要有自己的地址和存储空间。
  3. 安全性：引用的主要用途是作为函数的参数和返回值，以提供一种安全和方便的方式来操作数据。如果允许“引用的引用”，那么可能会引入新的错误和问题，例如，如果一个引用引用另一个引用，然后原始的引用被销毁，那么这个“引用的引用”将引用一个不存在的对象。
  1. 语法：
  • 指针：需要使用 * 运算符来访问指针指向的值。
  • 引用：可以像普通变量一样使用引用，不需要额外的运算符。
  1. 使用场景：
  • 指针：通常用于动态内存分配、数组、链表等数据结构和函数参数传递。
  • 引用：通常用于函数参数传递和复制构造函数。

二、内存模型

  1. 指针的内存模型：
  • 指针是一个变量，它存储了另一个变量的内存地址。因此，指针本身占用一定的内存空间（在 32 位系统中通常为 4 字节，64 位系统中为 8 字节）。
  • 指针变量的值就是它所指向的变量的内存地址，这个地址可以直接用来访问和操作该变量。
  • 指针可以被重新赋值，以指向另一个变量，也可以被赋值为 NULL，表示它不指向任何变量。
  1. 引用的内存模型：
  • 引用并不是一个真正的变量，它只是另一个已存在变量的别名。因此，引用本身不占用任何内存空间。
  • 引用的内存地址就是它所引用的变量的内存地址，可以直接用来访问和操作该变量。
  • 引用一旦被初始化以引用一个对象，就不能改变为引用另一个对象。也就是说，引用总是引用同一个变量，不能被重新赋值。

疑问：引用不占用任何内存，那它的变量名存放在哪里？
在 C++ 中，引用并不是一个独立的实体，而是另一个已存在变量的别名。因此，引用本身并不占用任何内存空间。但是，这并不意味着引用的变量名不存在。实际上，引用的变量名存在于编译器的符号表中。
符号表是编译器用来跟踪程序中各种符号（如变量名、函数名等）的数据结构。当你在代码中声明一个引用时，编译器会在符号表中为这个引用创建一个条目，并将它与它所引用的变量关联起来。然后，在编译和链接过程中，编译器和链接器会使用这个符号表来确定每个引用的位置和值。
因此，虽然引用本身不占用内存，但它的变量名确实存在于编译器的符号表中。在运行时，引用的变量名会被替换为它所引用的变量的地址，因此你可以像使用普通变量一样使用引用。

三、如何选择

通过上面对指针和引用的区别和内存模型的阐述，我们可以归纳总结出以下三点他们在选择时的考虑：

  1. 必不为空选择引用，可null选择指针：在C++中，引用必须在创建时初始化，并且一旦初始化，就不能更改引用的目标。这意味着引用不能为null，因为null不是一个有效的对象。如果你的函数参数可能为null，那么你应该使用指针，而不是引用。例如：
void func(int* ptr) {
    if (ptr) {
        // 使用ptr
    }
}

提问：下面的代码可行吗？

int *a = nullptr; // 或者 int *a = 0； int &b = a;

不可以，在C++中，解引用一个空指针是不安全的，会导致程序崩溃。因此，你应该在解引用一个指针之前，确保它不是空的。

  1. 可能重新赋值使用指针，否则使用引用：在C++中，指针可以在任何时候改变它所指向的对象。这使得指针在处理动态数据结构（如链表和树）时非常有用。例如：
int a = 10;
int b = 20;
int* ptr = &a;  // ptr指向a
ptr = &b;       // ptr现在指向b
  1. ：为了便捷使用引用的特殊情况：在C++中，你可以通过返回引用来修改函数返回的对象。这在编写像数组下标运算符这样的函数时非常有用。例如：
class MyArray {
private:
    int arr[10];
public:
    int& operator[](int index) {
        return arr[index];
    }
};

int main() {
    MyArray myArray;
    myArray[0] = 10;  // 使用我们定义的operator[]来访问和赋值元素
    return 0;
}

在这个例子中，operator[]返回一个指向arr数组元素的引用，这意味着你可以使用这个运算符来修改数组的元素。例如，myArray[0] = 10;会修改arr数组的第一个元素。

如果你使用指针作为返回值，那情况如下：

class MyArray {
private:
    int arr[10];
public:
    int* operator[](int index) {
        return &arr[index];
    }
};

int main() {
    MyArray myArray;
    *myArray[0] = 10;  // 使用我们定义的operator[]来访问和赋值元素
    return 0;
}

这样写可以，但是不好用，常规我们都是使用引用作为operator[]返回值。