C++中的指針與運用
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1、指針和引用的定義
在深入介紹之前我們首先來看一下指針和引用的定義、指針和引用的區別，然後分別針對指針和引用展開討論，深入細節為何有這些差異。
●指針的權威定義：
In a declaration T D where D has the form
- cv-qualifier-seqopt D1
And the type of the identifier in the declaration T D1 is "derived-declarator-type-list T", then the type of the identifier of D is "derived-declarator-type-list cv-qualifier-seq pointer to T". The cv-qualifiers apply to the pointer and not to the object pointer to.
——摘自《ANSI C++ Standard》
註：可能有些讀者並不明白cv-qualifier-seq
CV-qualifiers(CV限定符)
CV-qualifiers有三種：const-qualifier(const限定符)、volatile-qualifier(volatile限定符)、以及const-volatile-qualifier(const-volatile限定符)。
const類對象的非靜態、非mutable、以及非引用數據成員是const-qualified；
volatile類對象的非靜態、非引用數據成員是volatile-qualified；
const-volatile類對象的非靜態、非引用數據成員是const-volatile-qualified。
當CV-qualifiers用於限定數組類型時，實際上是數組成員被該CV-qualifiers限定，而非該數組類型。
復合類型並不因其成員被CV-qualifier限定而被該CV-qualifier限定，也就是說，即使復合類型的成員有CV-qualifier限定，該復合類型也不是CV-qualified對象。
●引用的權威定義：
In a declaration T D where D has the form
& D1
And the type of the identifier in the declaration T D1 is "derived-declarator-type-list T", then the type of the identifier of D is "derived-declarator-type-list cv-qualifier-seq reference to T". Cv-qualified references are ill-formed except when the cv-qualifiers are introduced through the use of a typedef or a template type argument, in which case the cv-qualifiers are ignored.
——摘自《ANSI C++ Standard》
上面這些定義初看有些難懂，如果是這樣的話，那說明你對C++還不夠熟悉，你還有很長的路要走。下面用通俗易懂的話來概述一下：
●指針-對於一個類型T，T就是指向T的指針類型，也即一個T類型的變量能夠保存一個T對象的地址，而類型T是可以加一些限定詞的，如const、volatile等等。見下圖，所示指針的含義：
●引用-引用是一個對象的別名，主要用於函數參數和返回值類型，符號X&表示X類型的引用。見下圖，所示引用的含義：
2、指針和引用的區別
●首先，引用不可以為空，但指針可以為空。前面也說過了引用是對象的別名，引用為空——對象都不存在，怎麽可能有別名！故定義一個引用的時候，必須初始化。因此如果你有一個變量是用於指向另一個對象，但是它可能為空，這時你應該使用指針；如果變量總是指向一個對象，i.e.，你的設計不允許變量為空，這時你應該使用引用。如下圖中，如果定義一個引用變量，不初始化的話連編譯都通不過（編譯時錯誤）：
●而聲明指針是可以不指向任何對象，也正是因為這個原因，使用指針之前必須做判空操作，而引用就不必。
●其次，引用不可以改變指向，對一個對象"至死不渝"；但是指針可以改變指向，而指向其它對象。說明：雖然引用不可以改變指向，但是可以改變初始化對象的內容。例如就++操作而言，對引用的操作直接反應到所指向的對象，而不是改變指向；而對指針的操作，會使指針指向下一個對象，而不是改變所指對象的內容。見下面的代碼：
#include<iostream>
using namespace std;
int main(int argc,char** argv)
{
int i=10;
int& ref=i;
ref++;
cout<<"i="<<i<<endl;
cout<<"ref="<<ref<<endl;
int j=20;
ref=j;
ref++;
cout<<"i="<<i<<endl;
cout<<"ref="<<ref<<endl;
cout<<"j="<<j<<endl;
return 0;
}
對ref的++操作是直接反應到所指變量之上，對引用變量ref重新賦值"ref=j"，並不會改變ref的指向，它仍然指向的是i，而不是j。理所當然，這時對ref進行++操作不會影響到j。而這些換做是指針的話，情況大不相同，請自行實驗。輸出結果如下：
●再次，引用的大小是所指向的變量的大小，因為引用只是一個別名而已；指針是指針本身的大小，4個字節。見下圖所示：
●從上面也可以看出：引用比指針使用起來形式上更漂亮，使用引用指向的內容時可以之間用引用變量名，而不像指針一樣要使用*；定義引用的時候也不用像指針一樣使用&取址。
●最後，引用比指針更安全。由於不存在空引用，並且引用一旦被初始化為指向一個對象，它就不能被改變為另一個對象的引用，因此引用很安全。對於指針來說，它可以隨時指向別的對象，並且可以不被初始化，或為NULL，所以不安全。const 指針雖然不能改變指向，但仍然存在空指針，並且有可能產生野指針（即多個指針指向一塊內存，free掉一個指針之後，別的指針就成了野指針）。
總而言之，言而總之——它們的這些差別都可以歸結為"指針指向一塊內存，它的內容是所指內存的地址；而引用則是某塊內存的別名，引用不改變指向。"
3、特別之處const
在這裏我為什麽要提到const關鍵字呢？因為const對指針和引用的限定是有差別的，下面聽我一一到來。
●常量指針VS常量引用
常量指針：指向常量的指針，在指針定義語句的類型前加const，表示指向的對象是常量。
定義指向常量的指針只限制指針的間接訪問操作，而不能規定指針指向的值本身的操作規定性。
常量指針定義"const int pointer=&a"告訴編譯器，pointer是常量，不能將*pointer作為左值進行操作。
常量引用：指向常量的引用，在引用定義語句的類型前加const，表示指向的對象是常量。也跟指針一樣不能利用引用對指向的變量進行重新賦值操作。
●指針常量VS引用常量
在指針定義語句的指針名前加const，表示指針本身是常量。在定義指針常量時必須初始化！而這是引用天生具來的屬性，不用再引用指針定義語句的引用名前加const。
指針常量定義"int* const pointer=&b"告訴編譯器，pointer是常量，不能 作為左值進行操作。
而就不存在所謂的"常量引用常量"，因為跟上面講的一樣引用變量就是引用常量。C++不區分變量的const引用和const變量的引用。程序決不能給引用本身重新賦值，使他指向另一個變量，因此引用總是const的。如果對引用應用關鍵字const，起作用就是使其目標稱為const變量。即沒有：Const double const& a=1；只有const double& a=1；
總結：有一個規則可以很好的區分const是修飾指針，還是修飾指針指向的數據——畫一條垂直穿過指針聲明的星號（*），如果const出現在線的左邊，指針指向的數據為常量；如果const出現在右邊，指針本身為常量。而引用本身與天俱來就是常量，即不可以改變指向。
4、指針和引用的實現
我們利用下面一段簡單的代碼來深入分析指針和引用:
#include<iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv)
{
int i=1;
int& ref=i;
int x=ref;
cout<<"x is "<<x<<endl;
ref=2;
int* p=&i;
cout<<"ref = "<<ref<<", i = "<<i<<endl;
}
上面的代碼用g++ test.c編譯之後，然後反匯編objdump -d a.out，得到main函數的一段匯編代碼如下：
08048714 <main>:
8048714: 55 push %ebp
8048715: 89 e5 mov %esp,%ebp
8048717: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp//為main函數的參數argc、argv保留位置
804871a: 56 push %esi
804871b: 53 push %ebx
804871c: 83 ec 28 sub $0x28,%esp
804871f: c7 44 24 1c 01 00 00 movl $0x1,0x1c(%esp) //將0x1存到esp寄存器中，即int i=1
8048726: 00
8048727: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax// esp寄存器裏的變量i的地址傳給eax
804872b: 89 44 24 18 mov %eax,0x18(%esp)//將寄存器eax中的內容（i的地址）傳給寄存器中的變量ref，即int& ref=i
804872f: 8b 44 24 18 mov 0x18(%esp),%eax//將寄存器esp中的ref傳給eax，即i的地址
8048733: 8b 00 mov (%eax),%eax//以寄存器eax中的值作為地址，取出值給eax 8048735: 89 44 24 14 mov %eax,0x14(%esp) //將寄存器eax中的值傳給寄存器esp中的x，即x=ref
8048739: c7 44 24 04 00 89 04 movl $0x8048900,0x4(%esp)
8048740: 08
8048741: c7 04 24 40 a0 04 08 movl $0x804a040,(%esp)
8048748: e8 cb fe ff ff call 8048618 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
804874d: 8b 54 24 14 mov 0x14(%esp),%edx
8048751: 89 54 24 04 mov %edx,0x4(%esp)
8048755: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
8048758: e8 5b fe ff ff call 80485b8 <_ZNSolsEi@plt>
804875d: c7 44 24 04 38 86 04 movl $0x8048638,0x4(%esp)
8048764: 08
8048765: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
8048768: e8 bb fe ff ff call 8048628 <_ZNSolsEPFRSoS_E@plt>//從8048739~8048768這些行就是執行"cout<<"x is "<<x<<endl;"
804876d: 8b 44 24 18 mov 0x18(%esp),%eax//將寄存器esp中的ref傳到eax中
8048771: c7 00 02 00 00 00 movl $0x2,(%eax) //將0x2存到eax寄存器中
8048777: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax// esp寄存器裏的變量i的地址傳給eax
804877b: 89 44 24 10 mov %eax,0x10(%esp) //將寄存器eax中的內容（即i的地址）傳到寄存器esp中的p
804877f: 8b 5c 24 1c mov 0x1c(%esp),%ebx
8048783: 8b 44 24 18 mov 0x18(%esp),%eax
8048787: 8b 30 mov (%eax),%esi
8048789: c7 44 24 04 06 89 04 movl $0x8048906,0x4(%esp)
8048790: 08
8048791: c7 04 24 40 a0 04 08 movl $0x804a040,(%esp)
8048798: e8 7b fe ff ff call 8048618 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
804879d: 89 74 24 04 mov %esi,0x4(%esp)
80487a1: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
80487a4: e8 0f fe ff ff call 80485b8 <_ZNSolsEi@plt>
80487a9: c7 44 24 04 0d 89 04 movl $0x804890d,0x4(%esp)
80487b0: 08
80487b1: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
80487b4: e8 5f fe ff ff call 8048618 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
80487b9: 89 5c 24 04 mov %ebx,0x4(%esp)
80487bd: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
80487c0: e8 f3 fd ff ff call 80485b8 <_ZNSolsEi@plt>
80487c5: c7 44 24 04 38 86 04 movl $0x8048638,0x4(%esp)
80487cc: 08
80487cd: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
80487d0: e8 53 fe ff ff call 8048628 <_ZNSolsEPFRSoS_E@plt>//這些行就是執行"cout<<"ref = "<<ref<<", i = "<<i<<endl;"
80487d5: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
80487da: 83 c4 28 add $0x28,%esp
80487dd: 5b pop %ebx
80487de: 5e pop %esi
80487df: 89 ec mov %ebp,%esp
80487e1: 5d pop %ebp
80487e2: c3 ret
從匯編代碼可以看出實際上指指針和引用在編譯器中的實現是一樣的：
●引用int& ref=i;
8048727: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax// esp寄存器裏的變量i的地址傳給eax
804872b: 89 44 24 18 mov %eax,0x18(%esp)//將寄存器eax中的內容（i的地址）傳給寄存器中的變量ref，即int& ref=i
●指針int* p=&i;
8048777: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax// esp寄存器裏的變量i的地址傳給eax
804877b: 89 44 24 10 mov %eax,0x10(%esp) //將寄存器eax中的內容（即i的地址）傳到寄存器esp中的p
雖然指針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，不會占內存空間？"通過這個事實我們可以揭穿這個謊言！實際上引用也是占內存空間的。
5、指針傳遞和引用傳遞
為了更好的理解指針和引用，我們下面來介紹一下指針傳遞和引用傳遞。當指針和引用作為函數的函數是如何傳值的呢？（下面這一段引用了C++中引用傳遞與指針傳遞區別（進一步整理））
●指針傳遞參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，被調函數的形式參數作為被調函數的局部變量處理，即在棧中開辟了內存空間以存放由主調函數放進來的實參的值，從而成為了實參的一個副本。值傳遞的特點是被調函數對形式參數的任何操作都是作為局部變量進行，不會影響主調函數的實參變量的值。
●引用傳遞過程中，被調函數的形式參數也作為局部變量在棧中開辟了內存空間，但是這時存放的是由主調函數放進來的實參變量的地址。被調函數對形參的任何操作都被處理成間接尋址，即通過棧中存放的地址訪問主調函數中的實參變量。正因為如此，被調函數對形參做的任何操作都影響了主調函數中的實參變量。
引用傳遞和指針傳遞是不同的，雖然它們都是在被調函數棧空間上的一個局部變量，但是任何對於引用參數的處理都會通過一個間接尋址的方式操作到主調函數中的相關變量。而對於指針傳遞的參數，如果改變被調函數中的指針地址，它將影響不到主調函數的相關變量。如果想通過指針參數傳遞來改變主調函數中的相關變量，那就得使用指向指針的指針，或者指針引用。
C++中的指針與運用