指针变量和引用变量的区别

技术背景

在C++编程中，指针和引用是两个重要的概念，它们都用于间接访问对象。指针是一个变量，存储的是另一个对象的内存地址；而引用可以看作是对象的别名，它必须在初始化时绑定到一个对象，并且之后不能再重新绑定。理解它们之间的区别对于编写高效、安全的C++代码至关重要。

实现步骤

1. 可重赋值性

指针可以重新赋值，指向不同的对象；而引用在初始化后不能重新绑定，必须在初始化时就绑定到一个对象。

// 指针可重赋值
int x = 5;
int y = 6;
int *p;
p = &x;
p = &y;
*p = 10;
// 此时 x 仍为 5，y 变为 10

// 引用必须初始化且不能重绑定
// int &q; // 错误，引用必须初始化
int &r = x;

2. 自身身份

指针变量有自己独立的内存地址，可以使用&运算符获取，也可以使用sizeof运算符测量其占用的空间。而对引用使用这些运算符，返回的是引用所绑定对象的值，引用自身的地址和大小是不可见的。

int x = 0;
int &r = x;
int *p = &x;
int *p2 = &r;

assert(p == p2); // &x == &r
assert(&p != &p2);

3. 多级嵌套

可以创建指向指针的指针，但不能创建指向引用的指针。

1 2	`int *pp; // 合法，指向指针的指针 // int &pr; // 非法，指向引用的指针`

4. 数组使用

可以创建指针数组，但不能创建引用数组。

1 2	`int *ap[]; // 合法，指针数组 // int &ar[]; // 非法，引用数组`

5. 空值处理

指针可以被赋值为nullptr，而引用必须绑定到一个已存在的对象。虽然可以尝试将引用绑定到nullptr，但这是未定义行为。

// 指针可赋值为 nullptr
int *p = nullptr;

// 引用绑定到 nullptr 是未定义行为
// int &r = *static_cast<int *>(nullptr);

6. 迭代操作

指针是连续迭代器，可以使用++操作符指向下一个元素，也可以使用+ n操作符指向第n+1个元素。

1
2
3

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *p = arr;
p++; // 指向 arr[1]

7. 成员访问

指针需要使用->操作符来访问所指向对象的成员，而引用可以直接使用.操作符。

class MyClass {
public:
    int value;
};

MyClass obj;
MyClass *p = &obj;
p->value = 10;

MyClass &r = obj;
r.value = 20;

8. 临时对象绑定

常量引用和右值引用可以绑定到临时对象，而指针不能直接绑定到临时对象。

1 2	`const int &x = int(12); // 合法 // int *y = &int(12); // 非法，不能取临时对象的地址`

核心代码

以下是一个综合示例，展示了指针和引用在函数参数传递中的不同：

#include <iostream>

// 使用指针作为参数
void swapWithPointer(int *a, int *b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

// 使用引用作为参数
void swapWithReference(int &a, int &b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

int main() {
    int x = 5, y = 10;

    // 使用指针交换
    swapWithPointer(&x, &y);
    std::cout << "After swap with pointer: x = " << x << ", y = " << y << std::endl;

    x = 5;
    y = 10;

    // 使用引用交换
    swapWithReference(x, y);
    std::cout << "After swap with reference: x = " << x << ", y = " << y << std::endl;

    return 0;
}