1、指針和引用的定義

在深入介紹之前我們首先來看一下指針和引用的定義、指針和引用的區(qū)別，然后分別針對指針和引用展開討論，深入細(xì)節(jié)為何有這些差異。

• 指針的權(quán)威定義：

In a declaration T D where D has the form * cv-qualifier-seqopt D1 And the type of the identifier in the declaration T D1 is “derived-declarator-type-list T”, then the type of the identifier of D is “derived-declarator-type-list cv-qualifier-seq pointer to T”. The cv-qualifiers apply to the pointer and not to the object pointer to.

——摘自《ANSI C++ Standard》

注：可能有些讀者并不明白cv-qualifier-seq

CV-qualifiers(CV限定符)

CV-qualifiers有三種：const-qualifier(const限定符)、Volatile-qualifier(volatile限定符)、以及const-volatile-qualifier(const-volatile限定符)。

const類對象的非靜態(tài)、非mutable、以及非引用數(shù)據(jù)成員是const-qualified；

volatile類對象的非靜態(tài)、非引用數(shù)據(jù)成員是volatile-qualified；

const-volatile類對象的非靜態(tài)、非引用數(shù)據(jù)成員是const-volatile-qualified。

當(dāng)CV-qualifiers用于限定數(shù)組類型時，實際上是數(shù)組成員被該CV-qualifiers限定，而非該數(shù)組類型。

復(fù)合類型并不因其成員被CV-qualifier限定而被該CV-qualifier限定，也就是說，即使復(fù)合類型的成員有CV-qualifier限定，該復(fù)合類型也不是CV-qualified對象。

• 引用的權(quán)威定義：

In a declaration T D where D has the form& D1 And the type of the identifier in the declaration T D1 is “derived-declarator-type-list T”, then the type of the identifier of D is “derived-declarator-type-list cv-qualifier-seq reference to T”. Cv-qualified references are ill-formed except when the cv-qualifiers are introduced through the use of a typedef or a template type argument, in which case the cv-qualifiers are ignored.

——摘自《ANSI C++ Standard》

上面這些定義初看有些難懂，如果是這樣的話，那說明你對C++還不夠熟悉，你還有很長的路要走。下面用通俗易懂的話來概述一下：

• 指針-對于一個類型T，T*就是指向T的指針類型，也即一個T*類型的變量能夠保存一個T對象的地址，而類型T是可以加一些限定詞的，如const、volatile等等。見下圖，所示指針的含義：

• 引用-引用是一個對象的別名，主要用于函數(shù)參數(shù)和返回值類型，符號X&表示X類型的引用。見下圖，所示引用的含義：

#p#

2、指針和引用的區(qū)別

首先，引用不可以為空，但指針可以為***面也說過了引用是對象的別名，引用為空——對象都不存在，怎么可能有別名！故定義一個引用的時候，必須初 始化。因此如果你有一個變量是用于指向另一個對象，但是它可能為空，這時你應(yīng)該使用指針；如果變量總是指向一個對象，i.e.，你的設(shè)計不允許變量為空， 這時你應(yīng)該使用引用。如下圖中，如果定義一個引用變量，不初始化的話連編譯都通不過（編譯時錯誤）：

而聲明指針是可以不指向任何對象，也正是因為這個原因，使用指針之前必須做判空操作，而引用就不必。

• 其次，引用不可以改變指向，對一個對象”至死不渝”；但是指針可以改變指向，而指向其它對象。說明：雖然引用不可以改變指向，但是可以改變初始化 對象的內(nèi)容。例如就++操作而言，對引用的操作直接反應(yīng)到所指向的對象，而不是改變指向；而對指針的操作，會使指針指向下一個對象，而不是改變所指對象的 內(nèi)容。見下面的代碼：

#include<iostream> 
 
using namespace std; 
 
int main(int argc,char** argv) 
 
{ 
 
    int i=10; 
 
    int& ref=i; 
 
    ref++; 
 
    cout<<"i="<<i<<endl; 
 
    cout<<"ref="<<ref<<endl; 
 
    int j=20; 
 
    ref=j; 
 
    ref++; 
 
    cout<<"i="<<i<<endl; 
 
    cout<<"ref="<<ref<<endl; 
 
    cout<<"j="<<j<<endl; 
 
    return 0; 
 
} 

對ref的++操作是直接反應(yīng)到所指變量之上，對引用變量ref重新賦值”ref=j”，并不會改變ref的指向，它仍然指向的是i，而不是j。理所當(dāng)然，這時對ref進(jìn)行++操作不會影響到j(luò)。而這些換做是指針的話，情況大不相同，請自行實驗。輸出結(jié)果如下：

• 再次，引用的大小是所指向的變量的大小，因為引用只是一個別名而已；指針是指針本身的大小，4個字節(jié)。見下圖所示：

從上面也可以看出：引用比指針使用起來形式上更漂亮，使用引用指向的內(nèi)容時可以之間用引用變量名，而不像指針一樣要使用*；定義引用的時候也不用像指針一樣使用&取址。

• ***，引用比指針更安全。由于不存在空引用，并且引用一旦被初始化為指向一個對象，它就不能被改變?yōu)榱硪粋€對象的引用，因此引用很安全。對于指針 來說，它可以隨時指向別的對象，并且可以不被初始化，或為NULL，所以不安全。const 指針雖然不能改變指向，但仍然存在空指針，并且有可能產(chǎn)生野指針（即多個指針指向一塊內(nèi)存，free掉一個指針之后，別的指針就成了野指針）。

總而言之，言而總之——它們的這些差別都可以歸結(jié)為”指針指向一塊內(nèi)存，它的內(nèi)容是所指內(nèi)存的地址；而引用則是某塊內(nèi)存的別名，引用不改變指向。”

#p#

3、特別之處const

在這里我為什么要提到const關(guān)鍵字呢？因為const對指針和引用的限定是有差別的，下面聽我一一到來。

• 常量指針VS常量引用

常量指針：指向常量的指針，在指針定義語句的類型前加const，表示指向的對象是常量。

定義指向常量的指針只限制指針的間接訪問操作，而不能規(guī)定指針指向的值本身的操作規(guī)定性。

常量指針定義”const int* pointer=&a”告訴編譯器，*pointer是常量，不能將*pointer作為左值進(jìn)行操作。

常量引用：指向常量的引用，在引用定義語句的類型前加const，表示指向的對象是常量。也跟指針一樣不能利用引用對指向的變量進(jìn)行重新賦值操作。

• 指針常量VS引用常量

在指針定義語句的指針名前加const，表示指針本身是常量。在定義指針常量時必須初始化！而這是引用天生具來的屬性，不用再引用指針定義語句的引用名前加const。

指針常量定義”int* const pointer=&b”告訴編譯器，pointer是常量，不能作為左值進(jìn)行操作，但是允許修改間接訪問值，即*pointer可以修改。

• 常量指針常量VS常量引用常量

常量指針常量：指向常量的指針常量，可以定義一個指向常量的指針常量，它必須在定義時初始化。常量指針常量定義”const int* const pointer=&c”告訴編譯器，pointer和*pointer都是常量，他們都不能作為左值進(jìn)行操作。

而就不存在所謂的”常量引用常量”，因為跟上面講的一樣引用變量就是引用常量。C++不區(qū)分變量的const引用和const變量的引用。程序決不 能給引用本身重新賦值，使他指向另一個變量，因此引用總是const的。如果對引用應(yīng)用關(guān)鍵字const，起作用就是使其目標(biāo)稱為const變量。即沒 有：Const double const& a=1；只有const double& a=1；

總結(jié)：有一個規(guī)則可以很好的區(qū)分const是修飾指針，還是修飾指針指向的數(shù)據(jù)——畫一條垂直穿過指針聲明的星號（*），如果const出現(xiàn)在線的左邊，指針指向的數(shù)據(jù)為常量；如果const出現(xiàn)在右邊，指針本身為常量。而引用本身與天俱來就是常量，即不可以改變指向。

#p#

4、指針和引用的實現(xiàn)

我們利用下面一段簡單的代碼來深入分析指針和引用:

#include<iostream> 
 
using namespace std; 
 
int main(int argc, char** argv) 
 
{ 
 
int i=1; 
 
int& ref=i; 
 
int x=ref; 
 
cout<<"x is "<<x<<endl; 
 
ref=2; 
 
int* p=&i; 
 
cout<<"ref = "<<ref<<", i = "<<i<<endl; 
 
} 

上面的代碼用g++ test.c編譯之后，然后反匯編objdump -d a.out，得到main函數(shù)的一段匯編代碼如下：

08048714 <main>: 
 
8048714: 55　　　　push %ebp 
 
8048715: 89 e5　　　mov %esp,%ebp 
 
8048717: 83 e4 f0        and $0xfffffff0,%esp//為main函數(shù)的參數(shù)argc、argv保留位置 
 
804871a: 56            push %esi 
 
804871b: 53            push %ebx 
 
804871c: 83 ec 28        sub $0x28,%esp 
 
804871f: c7 44 24 1c 01 00 00 movl $0x1,0x1c(%esp) //將0x1存到esp寄存器中，即int i=1 
 
8048726: 00 
 
8048727: 8d 44 24 1c  lea 0x1c(%esp),%eax// esp寄存器里的變量i的地址傳給eax 
 
804872b: 89 44 24 18    mov %eax,0x18(%esp)//將寄存器eax中的內(nèi)容（i的地址）傳給寄存器中的變量ref，即int& ref=i 
 
804872f: 8b 44 24 18        mov 0x18(%esp),%eax//將寄存器esp中的ref傳給eax，即i的地址 
 
8048733: 8b 00        mov (%eax),%eax//以寄存器eax中的值作為地址，取出值給eax 8048735: 89 44 24 14        mov %eax,0x14(%esp) //將寄存器eax中的值傳給寄存器esp中的x，即x=ref 
 
8048739: c7 44 24 04 00 89 04     movl $0x8048900,0x4(%esp) 
 
8048740: 08 
 
8048741: c7 04 24 40 a0 04 08    movl $0x804a040,(%esp) 
 
8048748: e8 cb fe ff ff    call 8048618 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt> 
 
804874d: 8b 54 24 14    mov 0x14(%esp),%edx 
 
8048751: 89 54 24 04        mov %edx,0x4(%esp) 
 
8048755: 89 04 24        mov %eax,(%esp) 
 
8048758: e8 5b fe ff ff    call 80485b8 <_ZNSolsEi@plt> 
 
804875d: c7 44 24 04 38 86 04    movl $0x8048638,0x4(%esp) 
 
8048764: 08 
 
8048765: 89 04 24        mov %eax,(%esp) 
 
8048768: e8 bb fe ff ff    call 8048628 <_ZNSolsEPFRSoS_E@plt>//從8048739~8048768這些行就是執(zhí)行"cout<<"x is "<<x<<endl;" 
 
804876d: 8b 44 24 18    mov 0x18(%esp),%eax//將寄存器esp中的ref傳到eax中 
 
8048771: c7 00 02 00 00 00    movl $0x2,(%eax) //將0x2存到eax寄存器中 
 
8048777: 8d 44 24 1c        lea 0x1c(%esp),%eax// esp寄存器里的變量i的地址傳給eax 
 
804877b: 89 44 24 10    mov %eax,0x10(%esp) //將寄存器eax中的內(nèi)容（即i的地址）傳到寄存器esp中的p 
 
804877f: 8b 5c 24 1c        mov 0x1c(%esp),%ebx 
 
8048783: 8b 44 24 18    mov 0x18(%esp),%eax 
 
8048787: 8b 30        mov (%eax),%esi 
 
8048789: c7 44 24 04 06 89 04    movl $0x8048906,0x4(%esp) 
 
8048790: 08 
 
8048791: c7 04 24 40 a0 04 08    movl $0x804a040,(%esp) 
 
8048798: e8 7b fe ff ff    call 8048618 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt> 
 
804879d: 89 74 24 04    mov %esi,0x4(%esp) 
 
80487a1: 89 04 24        mov %eax,(%esp) 
 
80487a4: e8 0f fe ff ff    call 80485b8 <_ZNSolsEi@plt> 
 
80487a9: c7 44 24 04 0d 89 04    movl $0x804890d,0x4(%esp) 
 
80487b0: 08 
 
80487b1: 89 04 24        mov %eax,(%esp) 
 
80487b4: e8 5f fe ff ff     call 8048618 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt> 
 
80487b9: 89 5c 24 04        mov %ebx,0x4(%esp) 
 
80487bd: 89 04 24        mov %eax,(%esp) 
 
80487c0: e8 f3 fd ff ff    call 80485b8 <_ZNSolsEi@plt> 
 
80487c5: c7 44 24 04 38 86 04    movl $0x8048638,0x4(%esp) 
 
80487cc: 08 
 
80487cd: 89 04 24        mov %eax,(%esp) 
 
80487d0: e8 53 fe ff ff    call 8048628 <_ZNSolsEPFRSoS_E@plt>//這些行就是執(zhí)行"cout<<"ref = "<<ref<<", i = "<<i<<endl;" 
 
80487d5: b8 00 00 00 00    mov $0x0,%eax 
 
80487da: 83 c4 28        add $0x28,%esp 
 
80487dd: 5b            pop %ebx 
 
80487de: 5e            pop %esi 
 
80487df: 89 ec        mov %ebp,%esp 
 
80487e1: 5d            pop %ebp 
 
80487e2: c3            ret 

從匯編代碼可以看出實際上指針和引用在編譯器中的實現(xiàn)是一樣的：

• 引用int& ref=i;

8048727: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax// esp寄存器里的變量i的地址傳給eax

804872b: 89 44 24 18 mov %eax,0×18(%esp)//將寄存器eax中的內(nèi)容（i的地址）傳給寄存器中的變量ref，即int& ref=i

• 指針int* p=&i;

8048777: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax// esp寄存器里的變量i的地址傳給eax

804877b: 89 44 24 10 mov %eax,0×10(%esp) //將寄存器eax中的內(nèi)容（即i的地址）傳到寄存器esp中的p

雖然指針和引用最終在編譯中的實現(xiàn)是一樣的，但是引用的形式大大方便了使用也更安全。有人說：”引用只是一個別名，不會占內(nèi)存空間？”通過這個事實我們可以揭穿這個謊言！實際上引用也是占內(nèi)存空間的。

#p#

5、指針傳遞和引用傳遞

為了更好的理解指針和引用，我們下面來介紹一下指針傳遞和引用傳遞。當(dāng)指針和引用作為函數(shù)的函數(shù)是如何傳值的呢？（下面這一段引用了C++中引用傳遞與指針傳遞區(qū)別（進(jìn)一步整理））

• 指針傳遞參數(shù)本質(zhì)上是值傳遞的方式，它所傳遞的是一個地址值。值傳遞過程中，被調(diào)函數(shù)的形式參數(shù)作為被調(diào)函數(shù)的局部變量處理，即在棧中開辟了內(nèi)存 空間以存放由主調(diào)函數(shù)放進(jìn)來的實參的值，從而成為了實參的一個副本。值傳遞的特點是被調(diào)函數(shù)對形式參數(shù)的任何操作都是作為局部變量進(jìn)行，不會影響主調(diào)函數(shù) 的實參變量的值。

• 引用傳遞過程中，被調(diào)函數(shù)的形式參數(shù)也作為局部變量在棧中開辟了內(nèi)存空間，但是這時存放的是由主調(diào)函數(shù)放進(jìn)來的實參變量的地址。被調(diào)函數(shù)對形參的 任何操作都被處理成間接尋址，即通過棧中存放的地址訪問主調(diào)函數(shù)中的實參變量。正因為如此，被調(diào)函數(shù)對形參做的任何操作都影響了主調(diào)函數(shù)中的實參變量。

引用傳遞和指針傳遞是不同的，雖然它們都是在被調(diào)函數(shù)?？臻g上的一個局部變量，但是任何對于引用參數(shù)的處理都會通過一個間接尋址的方式操作到主調(diào)函 數(shù)中的相關(guān)變量。而對于指針傳遞的參數(shù)，如果改變被調(diào)函數(shù)中的指針地址，它將影響不到主調(diào)函數(shù)的相關(guān)變量。如果想通過指針參數(shù)傳遞來改變主調(diào)函數(shù)中的相關(guān) 變量，那就得使用指向指針的指針，或者指針引用。

參考文獻(xiàn)

[1]The C++ Programming Language(Special Edition),Bjarne Stroustrup

[2] ANSI C++ Standard

[3] 匯編語言