C++简明教程（文章要求学过一点C语言）（7）

C++ 引用、指针与赋值的深度剖析

一、引用的概念

引用是 C++ 中的一个重要特性，它可以看作是变量的别名。引用在创建时必须被初始化，这是引用的一个重要规则。因为引用本身不占用额外的内存空间，它只是已存在变量的别名，所以需要在声明时就指定它所引用的变量。例如：

int num = 10;
int& ref = num;  // ref 是 num 的引用，它们指向相同的内存位置
std::cout << "num 的值：" << num << std::endl;
std::cout << "ref 的值：" << ref << std::endl;
ref = 20;  // 通过引用修改所绑定变量的值
std::cout << "修改后 num 的值：" << num << std::endl;
std::cout << "修改后 ref 的值：" << ref << std::endl;

在上述代码中，ref 被声明为对 num 的引用，对 ref 的任何操作都等同于对 num 的操作，因为它们本质上是同一个内存位置的不同名称。

二、引用与指针的区别

内存占用与地址表示：
- 引用：引用本身不占用额外的内存空间，它只是已存在变量的别名，与被引用变量共享内存地址。例如上面代码中 ref 的内存地址和 num 是完全相同的，在整个生命周期内，引用一旦初始化，就不能再绑定到其他变量上，始终指向最初绑定的那个变量。
- 指针：指针是一个独立的变量，它占用内存空间（通常在 32 位系统上为 4 个字节，64 位系统上为 8 个字节），用于存储另一个变量的内存地址。例如：

int num = 10;
int* ptr = &num;  // ptr 是一个指针，指向 num 的内存地址
std::cout << "num 的地址：" << &num << std::endl;
std::cout << "ptr 的值（即 num 的地址）：" << ptr << std::endl;

指针可以在程序运行过程中重新指向其他变量的内存地址，具有更大的灵活性，但同时也需要更多的内存来存储指针本身的地址信息。
2. 操作符与语法：
- 引用：在声明和使用引用时，使用 & 符号，但这个 & 与取地址操作符的含义不同，它是引用声明的一部分。例如 int& ref = num; 是声明一个引用，而在其他地方使用 ref 时，就像直接使用原变量 num 一样，不需要额外的操作符。
- 指针：使用 * 操作符来访问指针所指向的变量的值，使用 & 操作符来获取变量的地址赋给指针。例如：

int num = 10;
int* ptr = &num;
std::cout << "通过指针访问 num 的值：" << *ptr << std::endl;  // 使用 * 访问指针指向的值
*ptr = 20;  // 通过指针修改所指向变量的值
std::cout << "修改后 num 的值：" << num << std::endl;

指针的操作相对引用来说更加复杂，需要小心使用 * 和 & 操作符，避免出现空指针解引用（即对一个未初始化或无效的指针进行 * 操作）等错误，这可能会导致程序崩溃。

三、引用与赋值的区别

数据复制与关联：
- 赋值：当进行赋值操作时，如 int a = 5; int b = a;，会将变量 a 的值复制一份赋给变量 b。此时 a 和 b 是两个独立的变量，它们在内存中有各自的存储空间，只是初始值相同。后续对 a 的修改不会影响 b，反之亦然。例如：

int a = 5;
int b = a;
a = 10;
std::cout << "a 的值：" << a << std::endl;  // 输出 10
std::cout << "b 的值：" << b << std::endl;  // 输出 5

- 引用：如前所述，引用是变量的别名，与被引用变量共享内存，对引用的修改就是对原变量的修改，它们之间是一种紧密的关联关系，而不是简单的数据复制。

用途与场景：
- 赋值：常用于在程序中初始化新变量或者在不同变量之间传递数据副本，特别是当我们需要保留原始数据的独立性，不希望后续的修改相互影响时，就会使用赋值操作。
- 引用：通常用于函数参数传递和函数返回值，这样可以避免不必要的数据复制，提高程序的效率，同时也可以在函数内部直接修改外部变量的值，实现类似于“双向传递”的效果（但要注意避免滥用，以免使程序逻辑变得复杂难以理解）。

四、通过交换函数对比三者区别

以下是分别使用引用、指针和赋值来实现交换两个变量值的函数示例：

使用引用实现交换函数：

void swapByReference(int& num1, int& num2) {int temp = num1;num1 = num2;num2 = temp;
}int main() {int a = 5;int b = 10;std::cout << "交换前：a = " << a << ", b = " << b << std::endl;swapByReference(a, b);std::cout << "交换后：a = " << a << ", b = " << b << std::endl;return 0;
}

在这个例子中，swapByReference 函数使用引用作为参数，函数内部对参数的修改直接反映在调用函数的实参上，因为引用与实参共享内存，实现了变量值的交换。
2. 使用指针实现交换函数：

void swapByPointer(int* ptr1, int* ptr2) {int temp = *ptr1;*ptr1 = *ptr2;*ptr2 = temp;
}int main() {int a = 5;int b = 10;std::cout << "交换前：a = " << a << ", b = " << b << std::endl;swapByPointer(&a, &b);std::cout << "交换后：a = " << a << ", b = " << b << std::endl;return 0;
}

这里的 swapByPointer 函数使用指针作为参数，通过解引用指针来访问和修改所指向的变量的值，需要在调用函数时传递变量的地址，实现了与引用类似的交换效果，但语法上更加复杂，需要注意指针的有效性和正确使用，避免出现空指针等问题。
3. 使用赋值实现交换函数（这种方式不太符合常规的交换函数逻辑，但为了对比展示）：

void swapByAssignment(int num1, int num2) {int temp = num1;num1 = num2;num2 = temp;std::cout << "函数内交换后：num1 = " << num1 << ", num2 = " << num2 << std::endl;
}int main() {int a = 5;int b = 10;std::cout << "交换前：a = " << a << ", b = " << b << std::endl;swapByAssignment(a, b);std::cout << "交换后：a = " << a << ", b = " << b << std::endl;
}

在这个 swapByAssignment 函数中，虽然在函数内部实现了两个参数值的交换，但由于函数参数是按值传递的，这种交换只是在函数内部的局部变量之间进行，对函数外部的实参 a 和 b 没有影响，这体现了赋值操作只是复制数据，而不会影响原始变量的特性。

五、引用的注意事项

引用必须初始化：引用在声明时必须被初始化，指向一个已经存在的变量，否则会导致编译错误。例如 int& ref; 是不合法的，必须写成 int num = 5; int& ref = num; 这样的形式。
不能重新绑定：一旦引用被初始化绑定到一个变量，就不能再重新绑定到其他变量。例如：

int num1 = 5;
int num2 = 10;
int& ref = num1;
// ref = num2;  // 这行代码不是重新绑定，而是通过引用修改 num1 的值为 num2 的值

试图将 ref 重新绑定到 num2 是不允许的，它始终与 num1 保持关联，除非 num1 的生命周期结束（例如 num1 所在的作用域结束），此时 ref 的引用也会失效。

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https://blog.csdn.net/weixin_56935264/article/details/124669712