C++中的指針與引用 - 吳秦（Saylor） - 博客園

2010.11.29

C++中的指針與引用

2010-09-22 02:32 by 吳秦, 1690 visits, 網(wǎng)摘, 收藏, 編輯

寫(xiě)在前面

指針和引用形式上很好區(qū)別，但是他們似乎有相同的功能,都能夠直接引用對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行直接的操作。但是什么時(shí)候使用指針？什么時(shí)候使用引用呢？這兩者很容易混淆,在此我詳細(xì)介紹一下指針和引用，力爭(zhēng)將最真實(shí)的一面展現(xiàn)給大家。如果我噴得不夠好，希望嘴下留情、手下留命，還請(qǐng)指點(diǎn)一二；如果感覺(jué)還不錯(cuò)，請(qǐng)大家鼓掌。

1、指針和引用的定義

在深入介紹之前我們首先來(lái)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(duì)指針和引用展開(kāi)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(duì)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(duì)象的非靜態(tài)、非引用數(shù)據(jù)成員是volatile-qualified；

const-volatile類對(duì)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(shí)，實(shí)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(shuō)，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(duì)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(shuō)明你對(duì)C++還不夠熟悉，你還有很長(zhǎng)的路要走。下面用通俗易懂的話來(lái)概述一下：

指針-對(duì)于一個(gè)類型T，T*就是指向T的指針類型，也即一個(gè)T*類型的變量能夠保存一個(gè)T對(duì)象的地址，而類型T是可以加一些限定詞的，如const、volatile等等。見(jiàn)下圖，所示指針的含義：
引用-引用是一個(gè)對(duì)象的別名，主要用于函數(shù)參數(shù)和返回值類型，符號(hào)X&表示X類型的引用。見(jiàn)下圖，所示引用的含義：

2、指針和引用的區(qū)別

首先，引用不可以為空，但指針可以為空。前面也說(shuō)過(guò)了引用是對(duì)象的別名，引用為空——對(duì)象都不存在，怎么可能有別名！故定義一個(gè)引用的時(shí)候，必須初始化。因此如果你有一個(gè)變量是用于指向另一個(gè)對(duì)象，但是它可能為空，這時(shí)你應(yīng)該使用指針；如果變量總是指向一個(gè)對(duì)象，i.e.，你的設(shè)計(jì)不允許變量為空，這時(shí)你應(yīng)該使用引用。如下圖中，如果定義一個(gè)引用變量，不初始化的話連編譯都通不過(guò)（編譯時(shí)錯(cuò)誤）：

而聲明指針是可以不指向任何對(duì)象，也正是因?yàn)檫@個(gè)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(duì)一個(gè)對(duì)象"至死不渝"；但是指針可以改變指向，而指向其它對(duì)象。說(shuō)明：雖然引用不可以改變指向，但是可以改變初始化對(duì)象的內(nèi)容。例如就++操作而言，對(duì)引用的操作直接反應(yīng)到所指向的對(duì)象，而不是改變指向；而對(duì)指針的操作，會(huì)使指針指向下一個(gè)對(duì)象，而不是改變所指對(duì)象的內(nèi)容。見(jiàn)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(duì)ref的++操作是直接反應(yīng)到所指變量之上，對(duì)引用變量ref重新賦值"ref=j"，并不會(huì)改變r(jià)ef的指向，它仍然指向的是i，而不是j。理所當(dāng)然，這時(shí)對(duì)ref進(jìn)行++操作不會(huì)影響到j(luò)。而這些換做是指針的話，情況大不相同，請(qǐng)自行實(shí)驗(yàn)。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?yàn)橐弥皇且粋€(gè)別名而已；指針是指針本身的大小，4個(gè)字節(jié)。見(jiàn)下圖所示：

從上面也可以看出：引用比指針使用起來(lái)形式上更漂亮，使用引用指向的內(nèi)容時(shí)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(shí)候也不用像指針一樣使用&取址。
最后，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(gè)對(duì)象，它就不能被改變?yōu)榱硪粋€(gè)對(duì)象的引用，因此引用很安全。對(duì)于指針來(lái)說(shuō)，它可以隨時(shí)指向別的對(duì)象，并且可以不被初始化，或?yàn)镹ULL，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(gè)指針指向一塊內(nèi)存，free掉一個(gè)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。"

3、特別之處const

在這里我為什么要提到const關(guān)鍵字呢？因?yàn)閏onst對(duì)指針和引用的限定是有差別的，下面聽(tīng)我一一到來(lái)。

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(yǔ)句的類型前加const，表示指向的對(duì)象是常量。

定義指向常量的指針只限制指針的間接訪問(wèn)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(yǔ)句的類型前加const，表示指向的對(duì)象是常量。也跟指針一樣不能利用引用對(duì)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(yǔ)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(shí)必須初始化！而這是引用天生具來(lái)的屬性，不用再引用指針定義語(yǔ)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(wèn)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(gè)指向常量的指針常量，它必須在定義時(shí)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?yàn)楦厦嬷v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(gè)變量，因此引用總是const的。如果對(duì)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(méi)有：Const double const& a=1；只有const double& a=1；

總結(jié)：有一個(gè)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(huà)一條垂直穿過(guò)指針聲明的星號(hào)（*），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(lái)就是常量，即不可以改變指向。

4、指針和引用的實(shí)現(xiàn)

我們利用下面一段簡(jiǎn)單的代碼來(lái)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(shí)際上指針和引用在編譯器中的實(shí)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,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

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,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

雖然指針和引用最終在編譯中的實(shí)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(shuō)："引用只是一個(gè)別名，不會(huì)占內(nèi)存空間？"通過(guò)這個(gè)事實(shí)我們可以揭穿這個(gè)謊言！實(shí)際上引用也是占內(nèi)存空間的。

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(lái)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(gè)地址值。值傳遞過(guò)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(kāi)辟了內(nèi)存空間以存放由主調(diào)函數(shù)放進(jìn)來(lái)的實(shí)參的值，從而成為了實(shí)參的一個(gè)副本。值傳遞的特點(diǎn)是被調(diào)函數(shù)對(duì)形式參數(shù)的任何操作都是作為局部變量進(jìn)行，不會(huì)影響主調(diào)函數(shù)的實(shí)參變量的值。
引用傳遞過(guò)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(kāi)辟了內(nèi)存空間，但是這時(shí)存放的是由主調(diào)函數(shù)放進(jìn)來(lái)的實(shí)參變量的地址。被調(diào)函數(shù)對(duì)形參的任何操作都被處理成間接尋址，即通過(guò)棧中存放的地址訪問(wèn)主調(diào)函數(shù)中的實(shí)參變量。正因?yàn)槿绱?，被調(diào)函數(shù)對(duì)形參做的任何操作都影響了主調(diào)函數(shù)中的實(shí)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)棧空間上的一個(gè)局部變量，但是任何對(duì)于引用參數(shù)的處理都會(huì)通過(guò)一個(gè)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(duì)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(guò)指針參數(shù)傳遞來(lái)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。