前言

指標和引用在形式上很好區別，在C++中相比於指標我們更喜歡使用引用，但是它們的使用場景又極其類似，它們都能直接引用物件，對物件進行處理，那麼究竟為什麼會引入引用？什麼時候使用指標？什麼時候使用引用？這兩者實在容易混淆，在此我詳細介紹一下指標和引用。

指標和引用的定義

維基百科中這樣解釋

指標：

在電腦科學中，指標（英語：Pointer），是程式語言中的一類資料型別及其物件或變數，用來表示或儲存一個儲存器地址，這個地址的值直接指向（points to）存在該地址的物件的值。

引用：

在C++程式語言中，引用是一種簡單的引用資料型別，其功能不如從C繼承的指標型別，但更安全。C++引用的稱謂可能會引起混淆，因為在電腦科學中，引用是一種通用的概念資料型別，指標和C++引用是特定的引用資料型別實現。

但說了和沒說差不多。下面用通俗易懂的話來給概述一下。

• 指標

對於一個型別T，T*就是指向T的指標型別，也就是說T*型別的變數能夠儲存一個T型別變數的地址。

int main()
{
	int i = 1;
	int* p = &i;
	cout << "p = " << p << endl;
	cout << "i = " << i << endl;
	return 0;
}

關係如圖：

• 引用

引用是一個物件的別名，主要用於函式引數和返回值型別，符號X&表示X型別的引用。見下圖，所示引用的含義：

指標和引用的區別

首先，引用不可以為空，但指標可以為空。前面也說過了引用是物件的別名，那麼能初始化引用的前提一定是被引用的物件存在，引用為空——物件都不存在，怎麼可能有別名！故定義一個引用的時候，必須初始化。如果你有一個變數是用於指向另一個物件，但是它可能為空，這時你應該使用指標；如果變數總是指向一個物件，並且這個變數一定不為空，這時你應該使用引用。如果定義一個引用變數，不初始化的話連編譯都通不過（編譯時錯誤）：

int main()
{
	int i = 10;
	int* p;
	int& r;
	return 0;
}

報錯：

“r”: 必須初始化引用

而宣告指標並不需要初始化操作，即它可以不指向任何物件，也正因如此，指標的安全性不如引用，在使用指標前一定要進行判空操作；

• 引用初始化後就不能再改變指向，無論如何都只能指向初始化時引用的這個物件；但是指標就不同，指標是一個變數它可以任意改變自己的值，即任意改變指向，而指向其他物件。總的來說，就是引用不可以改變指向，但是可以改變初始化物件的內容，而指標即可以改變指向，又可以改變指向物件的內容；

例如：對指標和引用分別進行++操作，對引用執行此操作，作用物件會直接反應到引用所指向的物件，而對於指標，執行++操作作用於指標變數，會使指標指向下一個物件，而非改變指向物件的內容。

程式碼如下：

int main()
{
	int i = 10;
	int* p = &i;
	int& r = i;
	cout << "i = " << i << endl;
	cout << "p = " << p << endl;
	cout << "r = " << r << endl;
	r++;
	cout << "r++ operation：" << endl;
	cout << "i = " << i << endl;
	cout << "p = " << p << endl;
	cout << "r = " << r << endl;
	p++;
	cout << "p++ operation：" << endl;
	cout << "i = " << i << endl;
	cout << "p = " << p << endl;
	cout << "r = " << r << endl;
	return 0;
}

輸出：

可以看到對r執行++操作是直接反應到所指向的物件身上，對引用r的改變並不會是引用r的指向改變，它仍然指向i，並且會改變i的值；而如果是指標，則改變的是指標的值而非指向的物件的值。也就是說在引用初始化後對其的賦值等操作，都不會影響其指向，而是影響其指向的物件的內容。

• 引用的的大小是其指向的物件的大小，因為引用僅僅是一個別名；指標的大小與平臺有關，在32位平臺下指標大小為4個位元組；

int main()
{
	int i = 10;
	int* p = &i;
	int& r = i;
	cout << "sizeofo(p) = " << sizeof(p) << endl;
	cout << "sizeofo(r) = " << sizeof(r) << endl;
	return 0;
}

輸出：

由於我是在64位下進行程式編譯的，因此指標大小為8個位元組，而引用的大小是一個int的大小；

• 最後，引用比指標更安全。由於不存在空引用，並且引用一旦被初始化為指向一個物件，它就不能被改變為另一個物件的引用，因此引用很安全。對於指標來說，它可以隨時指向別的物件，並且可以不被初始化，或為NULL，所以不安全。const 指標雖然不能改變指向，但仍然存在空指標，並且有可能產生野指標（即多個指標指向一塊記憶體，free掉一個指標之後，別的指標就成了野指標）。

引用在初始化過後，對引用的一切操作實際上是對它指向物件的內容的操作，而指標則是需要*操作符解引用後才能訪問到被指向的物件，因此引用的使用也比指標更加的漂亮，更加直觀；在初始化時也不需要&操作來取得地址；

總而言之，言而總之——它們的這些差別都可以歸結為"指標指向一塊記憶體，它的內容是所指記憶體的地址；而引用則是某塊記憶體的別名，引用不改變指向。"

const修飾的引用和指標

之前我們就知道，對於指標而言const的位置可以決定其修飾的物件是誰；那麼引用呢？

常量引用和常量指標

常量指標：指向常量的指標，在定義的語句型別前加上const，表示指向的物件是常量；

定義指向常量的指標只限制指標的間接訪問操作，而不能規定指標指向的值本身的操作規定性。

int main()
{
	int i = 10;
	const int* p = &i;
	*p = 20;
	return 0;
}

報錯：

“p”: 不能給常量賦值

常量指標定義"const int* p=&i"告訴編譯器，*p是常量，不能將*p作為左值進行操作。

常量引用：指向常量的引用，在引用定義的語句的型別前加上const，表示指向的物件是常量。與指標一樣，不能對指向的物件的內容進行改變。

int main()
{
	int i = 10;
	const int& r = i;
	r = 20;
	return 0;
}

報錯：

“r”: 不能給常量賦值

引用常量和指標常量

指標常量：指標中的常量；

在定義指標的語言中的變數名前加const，表示指標本身是一個常量，即指標的指向不可改變。在定義指標常量時必須進行初始化，欸，這像極了引用，是的！

引用指向的物件不可改變是引用的與生俱來的性質，因此不需要在引用的變數名前加上const。

int main()
{
	int i = 10;
	int j = 20;
	int* const p = &i;
    *p = 30;
	p = &j;
	return 0;
}

報錯：

“p”: 不能給常量賦值

指標常量定義int* const p = &i告訴編譯器，p是常量，不能作為左值進行賦值操作，但是允許對指向的物件進行修改。

常量引用常量和常量指標常量

常量指標常量：指向常量的指標常量，定義一個指向常量的指標常量，它必須要在定義時初始化。

常量指標常量定義"const int* const p=&i"告訴編譯器，p和*p都是常量，他們都不能作為左值進行操作。

那麼對於引用呢？引用本身具有不能修改指向的性質，因此引用的指向總是const的，所有的引用都是引用常量，即const不需要修飾引用名。程式決不能給引用本身重新賦值，使他指向另一個變數，因此引用總是const的。如果對引用應用關鍵字const，其作用就是使其目標稱為const變數。即沒有：Const double const& a=1；只有const double& a=1；

注意：實際上const double &a 和 double const &a是一樣的，都是定義了一個常量的引用。

技巧：有一個規則可以很好的區分const是修飾指標，還是修飾指標指向的資料——畫一條垂直穿過指標宣告的星號（*），如果const出現線上的左邊，指標指向的資料為常量；如果const出現在右邊，指標本身為常量。而引用本身與天俱來就是常量，即不可以改變指向。

指標和引用的實現

實際上在底層實現上引用還是有空間的，因為引用本質還是指標的方式來實現的。

int main()
{
	int a = 9;

	int& ra = a;
	ra = 99;

	int* pa = &a;
	*pa = 99;
	return 0;
}

我們來看看彙編：

	int& ra = a;
00007FF7BFFC1854  lea         rax,[a]  //變數a的地址傳給rax暫存器中
00007FF7BFFC1858  mov         qword ptr [ra],rax  //將rax中的地址給ra
	ra = 99;
00007FF7BFFC185C  mov         rax,qword ptr [ra]  
00007FF7BFFC1860  mov         dword ptr [rax],63h  

	int* pa = &a;
00007FF7BFFC1866  lea         rax,[a]  //變數a的地址傳給rax暫存器中
00007FF7BFFC186A  mov         qword ptr [pa],rax  //將rax中的地址給pa
	*pa = 99;
00007FF7BFFC186E  mov         rax,qword ptr [pa]  
00007FF7BFFC1872  mov         dword ptr [rax],63h  

彙編指令大致都是相同的，也就是說它和指標實際上是同根同源的。

雖然指標和引用最終在編譯中的實現是一樣的，但是引用的形式大大方便了使用也更安全。有人說："引用只是一個別名，不會佔記憶體空間？"通過這個事實我們可以揭穿這個謊言，實際上引用也是佔記憶體空間的。

理解引用小技巧：

C++中與C的區別最明顯的是什麼？不就是面向物件的特性嗎？其實可以把引用當做一個封裝了的指標，對物件的操作會被過載成對該指標指向物件的操作。

指標傳遞和引用傳遞

• 指標傳遞引數本質上是值傳遞的方式，它所傳遞的是一個地址值。值傳遞過程中，被調函式的形式引數作為被調函式的區域性變數處理，即在棧中開闢了記憶體空間以存放由主調函式放進來的實參的值，從而成為了實參的一個副本。值傳遞的特點是被調函式對形式引數的任何操作都是作為區域性變數進行，不會影響主調函式的實參變數的值。

• 引用傳遞過程中，被調函式的形式引數也作為區域性變數在棧中開闢了記憶體空間，但是這時存放的是由主調函式放進來的實參變數的地址。被調函式對形參的任何操作都被處理成間接定址，即通過棧中存放的地址訪問主調函式中的實參變數。正因為如此，被調函式對形參做的任何操作都影響了主調函式中的實參變數。

引用傳遞和指標傳遞是不同的（指標略快於引用），雖然它們都是在被調函式棧空間上的一個區域性變數，但是任何對於引用引數的處理都會通過一個間接定址的方式操作到主調函式中的相關變數。而對於指標傳遞的引數，如果改變被調函式中的指標地址，它將影響不到主調函式的相關變數。如果想通過指標引數傳遞來改變主調函式中的相關變數，那就得使用指向指標的指標，或者指標的引用。

不論是指標傳遞還是引用傳遞，其效率都遠遠超過值傳遞，尤其在處理一些比較大的物件，值傳遞需要更多的時間開銷並且佔據更多的記憶體，因此在傳值過程中，儘量使用指標傳遞和引用傳遞，而因為相比於指標引用的直觀性（指標存在多級指標不方便去理解）和可讀性，我們建議能使用引用就使用引用傳遞，儘量不使用值傳遞，必須使用指標傳遞才使用指標。