指针变量和引用变量之间的区别是什么?


当前回答

指针和引用之间的差异

指针可以初始化为0,而引用不能初始化。事实上,引用也必须引用对象,但指针可以是空指针:

int* p = 0;

但我们不能有int&p=0;以及int&p=5;。

事实上,要正确执行此操作,我们必须首先声明并定义了一个对象,然后才能引用该对象,因此前面代码的正确实现将是:

Int x = 0;
Int y = 5;
Int& p = x;
Int& p1 = y;

另一个重要的点是,我们可以在不初始化的情况下声明指针,但是在引用的情况下,不能这样做,因为引用必须始终引用变量或对象。然而,这样使用指针是有风险的,因此通常我们检查指针是否确实指向某个对象。在引用的情况下,不需要这样的检查,因为我们已经知道在声明期间引用对象是强制性的。

另一个区别是指针可以指向另一个对象,但是引用总是引用同一个对象

Int a = 6, b = 5;
Int& rf = a;

Cout << rf << endl; // The result we will get is 6, because rf is referencing to the value of a.

rf = b;
cout << a << endl; // The result will be 5 because the value of b now will be stored into the address of a so the former value of a will be erased

另一点:当我们有一个类似STL模板的模板时,此类类模板将始终返回一个引用,而不是指针,以便使用运算符[]轻松读取或分配新值:

Std ::vector<int>v(10); // Initialize a vector with 10 elements
V[5] = 5; // Writing the value 5 into the 6 element of our vector, so if the returned type of operator [] was a pointer and not a reference we should write this *v[5]=5, by making a reference we overwrite the element by using the assignment "="

其他回答

引用是常量指针。int*const a=&b与int&a=b相同。这就是为什么没有const引用,因为它已经是const,而const的引用是const int*consta。当使用-O0编译时,编译器将在这两种情况下将b的地址放在堆栈上,并且作为类的成员,它也将出现在堆栈/堆上的对象中,与您声明了常量指针时相同。使用-Ofast,可以免费优化此功能。常量指针和引用都被优化了。

与常量指针不同,无法获取引用本身的地址,因为它将被解释为它引用的变量的地址。因此,在Ofast上,表示引用的常量指针(被引用变量的地址)将始终在堆栈外进行优化,但如果程序绝对需要实际常量指针的地址(指针本身的地址,而不是指针指向的地址),即您打印常量指针的位置,那么const指针将被放置在堆栈上,以便它有一个地址。

否则它是相同的,即当您打印它指向的地址时:

#include <iostream>

int main() {
  int a =1;
  int* b = &a;
  std::cout << b ;
}

int main() {
  int a =1;
  int& b = a;
  std::cout << &b ;
}
they both have the same assembly output
-Ofast:
main:
        sub     rsp, 24
        mov     edi, OFFSET FLAT:_ZSt4cout
        lea     rsi, [rsp+12]
        mov     DWORD PTR [rsp+12], 1
        call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::_M_insert<void const*>(void const*)
        xor     eax, eax
        add     rsp, 24
        ret
--------------------------------------------------------------------
-O0:
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     DWORD PTR [rbp-12], 1
        lea     rax, [rbp-12]
        mov     QWORD PTR [rbp-8], rax
        mov     rax, QWORD PTR [rbp-8]
        mov     rsi, rax
        mov     edi, OFFSET FLAT:_ZSt4cout
        call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(void const*)
        mov     eax, 0
        leave
        ret

指针已经在堆栈外进行了优化,在这两种情况下,指针甚至都没有在-Ofast上取消引用,而是使用编译时值。

作为对象的成员,它们在-O0到-Ofast上是相同的。

#include <iostream>
int b=1;
struct A {int* i=&b; int& j=b;};
A a;
int main() {
  std::cout << &a.j << &a.i;
}

The address of b is stored twice in the object. 

a:
        .quad   b
        .quad   b
        mov     rax, QWORD PTR a[rip+8] //&a.j
        mov     esi, OFFSET FLAT:a //&a.i

当通过引用传递时,在-O0上,传递被引用变量的地址,因此它与通过指针传递相同,即常量指针包含的地址。On Ofast如果函数可以内联,则编译器会在内联调用中对其进行优化,因为动态范围是已知的,但在函数定义中,参数总是作为指针(期望引用引用的变量的地址)被解引用,其中它可能被另一个转换单元使用,而编译器不知道动态范围,当然,除非函数声明为静态函数,否则它不能在转换单元之外使用,然后它通过值传递,只要它没有在函数中通过引用进行修改,那么它将传递您传递的引用所引用的变量的地址,如果调用约定中有足够多的易失性寄存器,则将在一个寄存器中传递,并保持在堆栈之外。

如果你真的想变得迂腐,有一件事你可以用指针做,但不能用指针做:延长临时对象的生命周期。在C++中,如果将常量引用绑定到临时对象,则该对象的生存期将变为引用的生存期。

std::string s1 = "123";
std::string s2 = "456";

std::string s3_copy = s1 + s2;
const std::string& s3_reference = s1 + s2;

在本例中,s3_copy复制连接后的临时对象。而s3_reference本质上成为临时对象。它实际上是对临时对象的引用,该对象现在与引用具有相同的生存期。

如果您尝试在没有常量的情况下执行此操作,它将无法编译。不能将非常量引用绑定到临时对象,也不能为此获取其地址。

引用与指针非常相似,但它们是专门设计的,有助于优化编译器。

引用的设计使得编译器更容易跟踪哪些引用别名哪些变量。两个主要特性非常重要:没有“引用算术”,也没有重新分配引用。这些允许编译器在编译时找出哪些引用别名哪些变量。允许引用没有内存地址的变量,例如编译器选择放入寄存器的变量。如果获取局部变量的地址,编译器很难将其放入寄存器中。

例如:

void maybeModify(int& x); // may modify x in some way

void hurtTheCompilersOptimizer(short size, int array[])
{
    // This function is designed to do something particularly troublesome
    // for optimizers. It will constantly call maybeModify on array[0] while
    // adding array[1] to array[2]..array[size-1]. There's no real reason to
    // do this, other than to demonstrate the power of references.
    for (int i = 2; i < (int)size; i++) {
        maybeModify(array[0]);
        array[i] += array[1];
    }
}

优化编译器可能会意识到,我们正在访问一个[0]和一个[1]。它希望优化算法以:

void hurtTheCompilersOptimizer(short size, int array[])
{
    // Do the same thing as above, but instead of accessing array[1]
    // all the time, access it once and store the result in a register,
    // which is much faster to do arithmetic with.
    register int a0 = a[0];
    register int a1 = a[1]; // access a[1] once
    for (int i = 2; i < (int)size; i++) {
        maybeModify(a0); // Give maybeModify a reference to a register
        array[i] += a1;  // Use the saved register value over and over
    }
    a[0] = a0; // Store the modified a[0] back into the array
}

要进行这样的优化,需要证明在调用期间没有任何东西可以改变数组[1]。这很容易做到。i永远不小于2,所以array[i]永远不能引用array[1]。maybeModify()被给定a0作为引用(别名数组[0])。因为没有“引用”算法,编译器只需要证明maybeModify永远不会得到x的地址,并且它已经证明没有任何东西会改变数组[1]。

它还必须证明,当我们在a0中有一个[0]的临时寄存器副本时,将来的调用不可能读/写它。这通常很难证明,因为在许多情况下,引用显然从未存储在类实例这样的永久结构中。

现在用指针做同样的事情

void maybeModify(int* x); // May modify x in some way

void hurtTheCompilersOptimizer(short size, int array[])
{
    // Same operation, only now with pointers, making the
    // optimization trickier.
    for (int i = 2; i < (int)size; i++) {
        maybeModify(&(array[0]));
        array[i] += array[1];
    }
}

行为是相同的;直到现在,要证明maybeModify从未修改过数组[1]要困难得多,因为我们已经给了它一个指针;猫从袋子里出来了。现在它必须做更困难的证明:对maybeModify进行静态分析,以证明它从未写入&x+1。它还必须证明它从未保存过可以引用数组[0]的指针,这同样棘手。

现代编译器在静态分析方面越来越好,但帮助他们并使用引用总是很好的。

当然,除非进行这种巧妙的优化,编译器确实会在需要时将引用转换为指针。

编辑:在发布这个答案五年后,我发现了一个实际的技术差异,即引用不同于看待相同寻址概念的不同方式。引用可以以指针无法修改的方式修改临时对象的寿命。

F createF(int argument);

void extending()
{
    const F& ref = createF(5);
    std::cout << ref.getArgument() << std::endl;
};

通常,临时对象(例如通过调用createF(5)创建的对象)会在表达式末尾被销毁。然而,通过将该对象绑定到引用ref,C++将延长该临时对象的寿命,直到ref超出范围。

引用永远不能为NULL。

你忘记了最重要的部分:

带指针的成员访问使用->使用引用的成员访问。

foo.bar明显优于foo->bar,就像vi明显优于Emacs一样:-)