【C++】--指针与引用深入解析和对比 - 教程

一.指针和引用的概念

指针：指针是一个变量，其值为另一个变量的内存地址。我们可以通过指针来间接访问和修改它所指向的变量的值。

代码语言：javascript

AI代码解释

int main() {
    int x = 10;
    int* ptr = &x;  // 指针ptr指向x的地址
    cout << "x的值: " << x << endl;       // 直接访问x
    cout << "x的地址: " << &x << endl;    // 输出x的地址
    cout << "ptr的值: " << ptr << endl;   // 输出ptr存储的地址（即x的地址）
    cout << "ptr指向的值: " << *ptr << endl;  // 通过指针访问x的值
    *ptr = 20;  // 通过指针修改x的值
    cout << "修改后x的值: " << x << endl;
    return 0;
}

引用：引用是已存在变量的别名，它与被引用的变量共享同一内存地址。引用一旦初始化后，就不能再指向其他变量。

代码语言：javascript

AI代码解释

int main() {
    int x = 10;
    int& ref = x;  // ref是x的引用（别名）
    cout << "x的值: " << x << endl;
    cout << "ref的值: " << ref << endl;
    cout << "x的地址: " << &x << endl;
    cout << "ref的地址: " << &ref << endl;  // 与x的地址相同
    ref = 20;  // 通过引用修改x的值
    cout << "修改后x的值: " << x << endl;
    return 0;
}

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二.指针与引用的核心区别

1. 声明与初始化

• 指针：使用*声明，可以不初始化（但不推荐），也可以初始化为nullptr

代码语言：javascript

AI代码解释

int* ptr1;       // 未初始化的指针（危险）
int* ptr2 = nullptr;  // 空指针
int x = 5;
int* ptr3 = &x;  // 指向x的指针

• 引用：使用&声明，必须在创建时初始化，且不能初始化为nullptr

代码语言：javascript

AI代码解释

int x = 5;
int& ref1 = x;   // 正确，ref1是x的引用
// int& ref2;    // 错误，引用必须初始化
// int& ref3 = nullptr;  // 错误，不能将引用初始化为空

2. 可修改性

• 指针：可以改变指向的对象

代码语言：javascript

AI代码解释

int x = 5, y = 10;
int* ptr = &x;
ptr = &y;  // 指针现在指向y

• 引用：一旦绑定到某个对象，就不能再绑定到其他对象

代码语言：javascript

AI代码解释

int x = 5, y = 10;
int& ref = x;
ref = y;  // 这是将y的值赋给x，而不是让ref引用y

3. 空值

• 指针：可以为空（nullptr），表示不指向任何对象

代码语言：javascript

AI代码解释

int* ptr = nullptr;  // 空指针

• 引用：不能为空，必须始终引用一个有效的对象。不存在 "空引用" 的概念

4. 内存占用

• 指针：需要占用内存空间来存储地址（通常为 4 字节或 8 字节，取决于系统）
• 引用：在语法层面不占用内存空间，它只是一个别名。编译器通常会使用指针来实现引用，但这是编译器内部的事情，对程序员是透明的。

5. 操作符

• 指针：使用*运算符访问指向的对象，使用->运算符访问指向对象的成员

代码语言：javascript

AI代码解释

struct Person {
    string name;
    int age;
};
Person p{"Alice", 30};
Person* ptr = &p;
cout << ptr->name << endl;  // 使用->访问成员
cout << (*ptr).age << endl; // 先解引用再用.访问成员

• 引用：直接使用.运算符访问成员，无需解引用

代码语言：javascript

AI代码解释

Person p{"Bob", 25};
Person& ref = p;
cout << ref.name << endl;  // 直接使用.访问成员

6. 多级访问

指针：支持多级指针（指针的指针）

代码语言：javascript

AI代码解释

int x = 5;
int* ptr = &x;
int**ptr_ptr = &ptr;  // 指向指针的指针
cout << ** ptr_ptr << endl;  // 输出5

引用：不支持多级引用，不存在 "引用的引用"

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三.指针与引用的共同点

1. 都可以间接访问和修改所指向 / 引用的变量
2. 都可以作为函数参数，实现参数的 "传址" 效果，允许函数修改实参的值
3. 都可以指向 / 引用堆上分配的内存

何时使用指针，何时使用引用？

使用引用的场景：

1. 函数参数传递，尤其是对于大型对象，可以避免拷贝开销，同时不希望参数为 null
2. 函数返回值，当函数需要返回容器元素或对象成员的访问权时
3. 操作符重载（如operator=），使语法更自然

代码语言：javascript

AI代码解释

// 引用作为函数参数
void swap(int& a, int& b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
// 引用作为函数返回值
vector vec = {1, 2, 3};
int& get_element(int index) {
    return vec[index];  // 返回向量元素的引用
}

使用指针的场景：

1. 需要表示 "空" 的情况（可以使用nullptr）
2. 需要改变指向的目标时
3. 处理动态分配的内存
4. 实现数据结构（如链表、树等）
5. 函数需要返回多个值时（通过指针参数）

代码语言：javascript

AI代码解释

// 指针表示空值
int* find(int* arr, int size, int target) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        if (arr[i] == target) {
            return &arr[i];
        }
    }
    return nullptr;  // 未找到，返回空指针
}
// 动态内存分配
int* create_array(int size) {
    return new int[size];  // 返回指向新分配数组的指针
}

指针和引用都是 C++ 中用于间接访问变量的重要工具，它们各有特点和适用场景：

• 指针更灵活，可以为空，可以改变指向，但使用不当容易引发错误
• 引用更安全，必须初始化且不能为 null，语法更简洁，但灵活性较低