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对指针和引用的深入理解

article 2024/12/26 13:34:25

1 引言

经常在函数的定义中，看到有些参数是指针，有些参数是引用。
指针还好理解，但引用的使用不大理解。既然，引用跟变量本身是一回事，为何要使用引用呢？不是多此一举么？
带着这个问题，开始探索二者之间的差别，以及定义引用的目的。

2 函数参数中指针的含义

查资料说，指针是对变量的拷贝。
这句话有几个意思。
一是，函数调用时，会先创建一个地址空间（一般为4字节），然后把变量的地址值拷贝过来。
例如：

void test(int *p)
{
    int a = 1;
    p = &a;
    cout << p << "" << *p << endl;
}
int main(void)
{
    int *p = NULL;
    test(p);
    if(p == NULL)
        cout << "指针p为NULL" << endl;
    system("pause");
    return 0;
}

按照常规理解，main函数中的p指针为NULL，传递到test函数以后，该指针值似乎被修改了。

p = &a；

那么在main函数中，理论上下面的语句不会执行到。

if(p == NULL)

但，实际结果与我们想象的不一样，这段代码会执行到。
刚开始我也不理解。
后来，当我知道了“指针是变量地址的拷贝”这个意思后，才明白了。
原来，函数被调用的时候，对于指针参数，首先会在堆栈中创建一个地址，test函数中的p，就是一个新的地址，也是新的内存空间。
这个内存空间，与main函数中的指针p，不是同一个内容。
也就是说：
这两个p，是两个不同的地址。
main函数中的地址p，是在main函数堆栈中的一块内存，只是因为它为NULL，所以这块内存的值为0（多数编译系统中，NULL值都为0，但不一定，所以，这里就算是示意吧）。
打个比方，我们电脑上的内存是一间超大的酒店，有好多好多房间，内存空间就是这些房间（主流的8G内存，就好比有80亿个房间）。
房间的作用有两个：
一些房间用于客人居住，这里，客人就好比实际的数据。
另外一些房间不住人，只用来放一块大牌子，这个牌子上写着，xx客人住在yy房间。
按照这个说法，main函数中定义指针p，相当于服务员给开了一个房间，假设房间号为A，放标牌，只是，标牌啥也没写（或者是打叉，这个跟酒店的管理规定有关）。
当调用test函数时，参数为p指针，该函数告诉服务员又开一个房间，假设这个房间号为B，这个房间也放标牌，标牌上的内容，跟调用该函数之前定义的标牌的内容完全一致，也就是说，目前也是空（或者打叉）。
好了，这里是关键。
在test函数中，p值会修改，变成a变量的指针，也就是说，B房间里的标牌上不再是空的，而是写有内容的了。
但是，但是，A房间里标牌，还！是！空！的！
到这里，终于明白“指针是拷贝”的真正含义了。
其实，test函数定义也让人稍微有些容易混淆。
如果test函数是下面的这个样子。

void test(int* ptr)
{
    int a = 1;
    ptr = &a;
    cout << ptr << "" << *ptr << endl;
}

定义成ptr，跟main函数中的p不一样，有可能会更好理解一点。
但是，关键还在于要彻底理解上面所讲的“拷贝”的含义。
第二个意思是，既然要开新的房间，那么，费时（虽然这点时间对于电脑来说不算什么），费空间（虽然也不算什么，不就4个字节么）。

3 引用的含义

又查资料，得到如下信息：
引用，就是变量的别名，操作引用就是操作变量本身。
举例。

int a = 1;
int *pA = &a;
int &b = a;

a是一个实实在在的变量，按照上边的例子，a是住在酒店的客人，&a表示该客人所在的房间号，pA也是一个房间，里面住的不是客人，而是有一块牌子，上面写明了客人a所在的房间号。
![[Pasted image 20240620112255.png]]
源内容参考：
![[240531-1656-指针和引用示意图.pptx]]
于是，pA就应该是301房间号，pA本身也在房间201中。
b是a的引用，相当于别称，就像，张明明是大名，小明是他的小名，妈妈说小明赶紧去上学，老师说张明明你来回答问题，其实说的是同一个人。
好了，据此再来理解函数参数中的引用。

//形参是引用类型
void swap(int &a,int &b)
{
    int temp;
    temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
int main()
{
    int i = 3, j = 5;
    swap(i,j);
    cout << "i=" << i << "" << "j=" << j << endl;
    return 0;
}

这段代码，把变量i和j的值交换。

4 函数参数中为什么要引用？

还是以交换两个变量的值为例。

4.1 第一种情况，直接使用形参，试试看

//交换变量的值
void swap(int a,int b)
{
    int temp;
    temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}
int main()
{
    int i=3,j=5;
    swap(i, j);
    cout << i << "" << j << endl;
    return 0;
}

执行的结果，与我们的想象不一样。
还按照上边酒店房间的例子。
假设，客人i是一名女客人，小红，住在301房间。
客人j是一名男客人，小明，住在302房间。
函数swap在被调用时，在栈里创建两份内存。相当于服务员开了两个空房间，假设为401和402，并把小红和小明各克隆一份，叫做小红1号和小明1号，并分别安排到401和402房间。
注意：这里i（小红1号）和j（小明1号）不是原来的，是克隆人。
把401和402房间里的人交换，变成402住着小红1号，401住着小明1好。
但是，但是，原来的301和302房间的人并不变化，小红还在301，小明也还在302住着。
任务失败。

4.2 第二种方式，使用指针

void swap(int* p1,int* p2)
{
    int temp;
    temp = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = temp;
}
int main()
{
    void swap(int*, int*);
    int i = 3, j = 5;
    swap(&i, &j);
    cout << i << "" << j << endl;
    return 0;
}

房间301住着小红，房间302住着小明。
在swap函数中，p1是个指针，就是个标牌，标明301房间，即小红住的房间号。同样地，p2表示小明住的房间号。
*p1，取地址里的值，相当于说，先找301的客人，就是小红。同样地，*p2是客人小明。
第一步，把小红克隆一份到temp（想起了阿凡达），外表、思想完全一样的。
再把小明克隆一份，放到小红身上，这个时候，小红也不再是小红，而是小明了。
同样地，把temp（克隆后的小红）又克隆一份，放到原来的小明身上，这个后来者就是小红。
克隆后的小红temp在swap函数调用完毕就销毁了。
最后的结果就是，房间还是那两个房间，但通过神秘的克隆和销毁技术，神不知鬼不觉的把两个房间里的人更换了。
于是，301房间不再住着小红，而是住着小明。302房间则住着小红。
任务完成。甭管克隆有没有副作用，反正是完成预定的目标。
美中不足的是，这中间总是得通过房间号来完成。有没有更好的方式呢？

4.3 第三种方式，通过引用来完成

这就是上上上边的例子了。
不用通过房间号（指针）来操作，直接指示。
克隆小红（a）到阿凡达（temp），克隆小明（b）到小红身上，再把阿凡达克隆一份到小明身上。
完成任务。
是不是简洁多了？
这，就是引用的用途。

5 再来一个引用的例子

void test(int* &ptr)
{
    int a = 1;
    ptr =& a;
    cout << ptr << "" << *ptr << endl;
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    int *p = NULL;
    test(p);
    if(p != NULL)
    {
        cout << "指针p不为NULL" << endl;
    }
    system("pause");
    return 0;
}