C++中Reference与指针（Pointer）的使用对比

整理日： 2015年3月18日

引用(reference)和指针(pointer)是学C++过程中最令人头疼的问题，常常不知道什么时候用哪个合适，又常常弄混。找到Dan Saks的这篇文章，讲的很清楚，强烈推荐，所以翻译一下供大家参考。

以下译自Dan Saks的文章 References vs. Pointers

了解引用reference与指针pointer到底有什么不同可以帮助你决定什么时候该用reference，什么时候该用pointer。

在C++ 中，reference在很多方面与指针(pointer)具有同样的能力。虽然多数C++程序员对于何时使用reference何时使用pointer 都会有一些直觉，但总还是会有些时候搞不清楚。如果你想要建立一个关于使用reference使用的清晰有理的概念， 又有必要了解到底reference和pointer有什么不同。

深层含义

与pointer 类似，一个reference是一个对象(object)，可以用来间接指向另一个对象。一个reference的声明与pointer的声明的实质语法结构是相同的。不同的是，声明pointer的时候使用星号操作符 * ， 而声明reference的时候使用地址操作符 & 。 例如，我们有:

int i = 3;

则有:

int *pi = &i;

声明 pi 为一个指针类型的对象，并且是一个”指向int整型的指针”，它的初始值为对象i的地址。而另一方面：

int &ri = i;

声明 ri为一个reference类型的对象，并且也是一个指向整型的reference，它指向的是i。 我们可以看到pointer和reference的声明有显著的不同，但这并不是决定何时使用哪一个的根据。决定的真正依据是当它们被用在表达式中时其显 示的不同决定了使用哪一个合适

Pointer 和reference的最大不同是：pointer必须使用一个星号操作符 * 来去掉reference （英文叫做dereference，我不知道这里怎样翻译这个词合适，姑且就叫“去参考”吧）而reference不需要任何操作符来去参考。 例如， 有了上面例子中的定义， 间接表达式 *pi 将 pi 去参考为指向i。相反， 表达式ri-不需要任何操作符-自动将ri去参考为指向i。因此， 使用指针p，我们需要用赋值语句:

*p = 4;

将i的值变为4； 而使用reference ri，我们只需要直接写：

ri = 4;

就可以同样将i的值变为4 。

这个显示的不同在当你为函数的参数类型和返回值类型选择是使用pointer还是reference的时候就会显著起来，尤其是对于重载操作符的函数。

下面使用一个针对列举类型（enumeration）的++操作符例子来说明上面这点。在C++中， 内置的++操作符对列举类型无效，例如， 对下面定义：

enum day{
Sunday, Monday, …
};
day x;

表达式 ++x 不能编译。如果想让它通过编译，必须要定义一个名为operator++的函数，接受day为参数，并且调用 ++x 必须改变x的值。因此， 仅声明一个函数 operator++ ， 以类型day为参数， 如下:

day operator++(day d);

并不能够得到想要得效果。 这个函数通过值传递参数(pass by value)，这就意味着函数内看到的是参数的一个拷贝，而不是参数本身。为了使函数能够改变其操作数(operand)的值，它必须通过指针或reference来传递其操作数。

通过指针传递参数(passing by pointer)，函数定义如下:

day *operator++(day d);

它通过将增加后的值存储到d里面来使函数改变日期(day)的值。但是，这样你就必须使用像表达式++&x这样来调用这个操作符，这看起来不太对劲儿。

正确的方法是定义operator++以reference为参数类型，如下:

day &operator++(day &d)
{
    d = (day)(d + 1);
    return d;
}

使用这个函数， 表达式 ++x 才有正确的显示以及正确的操作。

Passing by reference不仅仅是写operator++较好的方法，而是唯一的方法。 C++在这里并没有给我们选择的余地。 像下面的声明:

day *operator++(day *d);

是不能 通过编译的。每个重载的操作符函数必须或者是一个类的成员， 或者使用类型T、 T & 或 T const & 为参数类型，这里T是一个类(class)或列举(enumeration)类型。 也就是说，每一个重载操作符必须以类或列举类型为参数类型。指针，即使是指向一个类或列举类型对象的指针，也不可以用。C++ 不允许在重载操作符时重新定义内置操作符的含义，包括指针类型。因此，我们不可以定义：

int operator++(int i); // 错误

因为它试图对int重新定义操作符 ++ 的含义。 我们也不可以定义：

int *operator++(int *i); // 错误

因为它试图对 int * 重新定义操作符 ++ 的含义。

References vs. const pointers

C++ 中不允许定义”const reference”， 因为一个reference天生就是const。也就是说，一旦将一个reference绑定到一个对象，就无法再将它重新绑定到另一个不同的对象。在声 明一个reference之后没有写法可以将它重新绑定到另外一个对象。例如：

int &ri = i;

将 ri 绑定到 i 。然后下面的赋值:

ri = j;

并不是把 ri 绑定到 j ，而是将 j 中的值赋给 ri 指向的对象，也就是赋给 i 。

简而言之，一个pointer在它的有生之年可以指向许多不同的对象，而一个reference只能够指向一个对象。有些人认为这才是 reference和 pointer最大的不同。我并不赞成。也许这是reference与pointer的一点不同， 但并不是reference和const pointer的不同。在强调一遍，一旦一个reference与一个对象绑定，就不能再将它改指向另外的东西。既然不能再绑定reference之后再 改变， 一个reference就必须在一出生就被绑定。否则这个reference就永远不能被绑定到任何东西，也就毫无用处了。

上一段的讨论也同样完全适用于常量指针（const pointer）。（注意，我这里说的是常量指针（const pointer）， 而不是指向常量的指针 “pointers to const”。) 例如，一个reference声明必须同时带有一个初始化赋值，如下所示：

void f()
{
    int &r = i;
    // …
}

省略这个初始化赋值将产生一个编译错误：

void f()
{
    int &r; //错误
    // …
}

一个常量指针的声明也同样必须带有一个初始化赋值，如下所示：

void f()
{
    int *const p = &i;
    // …
}

省略这个初始化赋值同样会出错：

void f(){
    int *const p; // 错误
    // …
}

在我看来， 不能够对reference二次绑定作为reference与pointer的不同。并不比常量指针和非常量指针的不同更为显著。

Null references

除了显示的不同，常量指针与reference还有一点非常不同，那就是，一个有效的reference必须指向一个对象；而一个指针不需要。一个指针，即使是一个常量指针， 都可以有空值。 一个空指针不指向任何东西。

这点不同就暗示当你想要确信一个参数必须指向一个对象的时候，应该使用reference作为参数类型。 例如，交换函数(swap function)，它接受两个int参数，并将两个参数的数值对调，如下所示：

int i, j;
swap(i, j);

将原本在 i 中的值放到 j 中， 并将原本在 j 中的值放到 i 中。我们可以这样写这个函数：

void swap(int *v1, int *v2)
{
    int temp = *v1;
    *v1 = *v2;
    *v2 = temp;
}

这种定义下，函数要像这样被调用: swap(&i, &j);

这个接口暗示其中一个或两个参数都有可能为空(null)。而这个暗示是误导的。例如，调用

swap(&i, NULL);

的后果很可能是不愉快的。

而像下面这样定义reference为参数：

void swap(int &v1, int &v2)
{
    int temp = v1;
    v1 = v2;
    v2 = temp;
}

清晰的表明了调用swap应该提供两个对象，它们的值将被交换。 并且这样定义的另一个好处是，在调用这个函数的时候，不需要使用那些&符号，看起来更顺眼：

swap(i, j);

更安全?

有些人认为既然reference不能够为空，那么它应该比指针更安全。 我认为reference可能要安全一点，但不会安全很多。虽然一个有效的reference不能为空，但是无效的可以呀。实际上，在很多情况下程序有可 能产生无效的reference，而不只是空的reference。 例如，你可以定义一个reference，使它绑定到一个指针指向的对象，如下所示：

int *p;
// …
int &r = *p;

如果指针p在reference定义时刚好为空，则这个reference为空。 从技术上来说，这个错误并不在于将reference绑定到一个空值，而是在于对一个空指针去参考。 对一个空指针去参考产生了一个不确定的操作，也就意味着很多事都可能发生，而且大部分都不是什么好事。很有可能当程序将reference r 绑定到p (p所指向的对象)的时候，p实际上没有被去参考，甚至程序只是将p的值拷贝给实现r的指针。而程序将会继续执行下去直到错误在后面的运行中更为明显的表 现出来，产生不可预知的危害。

下面的函数展示了另外一种产生无效reference的方法：

int &f()
{
    int i;
    // …
    return i;
}

这个函数返回一个指向本地变量 i 的reference。然而当函数返回时，本地变量 i 的存储空间也就消失了。因此这个函数实际返回了一个指向被回收了的空间的reference。这个操作与返回一个指向本地变量的指针的后果相同。有些编译 器可以在编译时发现这个错误，但也很有可能不会发现。

我喜欢reference，也有很好的理由使用它们代替pointer。但如果你期望使用reference来使你的程序健壮性显著增强，那么你多半会失望的。