C++的引用和指针

前言

之前的文章我们已经介绍了C++中的基本类型如int，bool和double等，除了基本类型C++还有一些更复杂的数据类型复合类型，所谓的复合类型就是通过其他类型定义的类型，本篇文章我们将会着重介绍C++的复合类型引用和指针。

引用

一个引用是定义一个对象的别称，一个引用类型是指向其他类型的，下面就是引用声明的例子。

int val = 1024;
int &refVal = val; //refVal指向val
int &refVal2; //错误，引用必须初始化

通常来说，当我们初始化一个变量，初始化的值就会拷贝进我们创建的对象，当创建一个引用时，不是拷贝初始化的值，而是将引用与初始化的对象绑定，一旦初始化，一个引用就是保持与初始化对象的绑定，且无法重新绑定，所以引用必须要初始化。

指针

指针是一个复合类型指向其他的类型，就像引用，指针也是用于间接获取对象，但是与引用不同，指针是一个对象，它拥有对象有的能力，一个指针可以赋值和拷贝，在它的生命周期内，一个指针可以指向多个对象，且指针无需在定义时就初始化，就像其他的基本类型，如果其范围内没有初始化会有一个默认值，以下就是指针的声明，*是指针操作符。

int *p1, *p2;
double dp, *dp2;

指针与地址

一个指针持有一个对象的地址，可以同地址操作符（&）获取地址。

int val = 42;
int *p = &val;

上面的例子中，第二个表达式定义了一个int指针p，且初始化p指向一个叫做val的int对象，因为引用不是对象没有地址，所以我嘛不会定义一个指针指向一个引用。

❝需要注意的是指针的类型要与指向对象的类型相同，否则就会发生错误

❞

double dval;
double *pd = &dval; //没问题
double *pd2 = pd; //没问题

int *pi = pd; //报错， pi与pd类型不一致

以上例子就睡报错不能用int *类型初始化double , 可以将与基本类型的组合理解为一个新的类型。类型必须匹配，因为需要通过指针的类型来推断指针指向对象的类型，正如之前所提到的，一个对象的类型决定了其所支持的操作，如果类型不一致会导致操作失败。

指针的值

指针的值（地址）有以下四种情况

• 指向一个对象
• 指向紧邻对象所占空间的下一个位置
• 空指针，意味着未指向任何对象
• 无效指针，也就是上述情况之外的值

拷贝和获取一个无效指针会引发错误，编译器并不负责检查此类错误，访问无效执政的后果是无法预计的，所以程序员必须要清楚的知道所给指针是否有效。虽然第2和第三种情况指针是有效的，但是使用上还是有很多限制，因为它们并没有指向一个对象，如果我们通过它们获取对象，其结果也是未知的。

指针获取对象

当一个指针指向一个对象时，我们可以通过解引用操作符*来获取对象

int val = 42;
int* p = &val;  //p持有val的地址，p是指向val的指针
std::cout<<*p;  //*p获取p指向的对象

一些符号如和&在表达式和声明中都会使用到，其中符号所处的上下文决定其含义，在声明中，&和是用于形成复合类型，在表达式中这些符号代表一种操作，虽然是相同的符号但是含义完全不同，最好好的方法就是忽略它们的表象，将其视为不同的符号，以下例子中就详细说明了两种符号不同场景下的不同含义。

int val = 42;
int &r = val; //&在类型的后面是声明的一部分，r是一个引用
int *p;  //*在类型的后面是声明的一部分，p是一个指针
p = &val; //&在表达式中，所以是取地址操作符
*p = val; // *在表达式中，是解引用操作符
int &r2 = *p; //&是声明的一部分，*是解引用操作符

空指针

空指针没有指向任何对象，在使用一个指针前可以先检查其是否为空，获得空指针的方式有以下几种：

int *p1 = nullptr; //等价于int *p1 = 0
int *p2 = 0; //直接通过字面量0来初始化
int *p3 = NULL; //等价于int *p3 = 0

最直接的方法获取空指针就是nullptr，这也是新标准引进的方法，也可以通过字面量0来初始化指针，在一些老的程序中会使用预处理变量NULL，在cstlib头文件中将其定义为0，至于预处理器的内容之后会详细介绍。

❝需要注意将一个int值赋予一个指针是不合法的，即使是0也不行

❞

int zero = 0;
pi = 0 //错误

未初始化的指针是一个很常见的运行时错误，正如使用其他未初始化的变量一样，使用一个未初始化的指针结果也是未知的，绝大多数情况使用未初始化的指针会导致运crash，而且在debug时很困难。 在大多数的编译器中，如果使用一个未初始化的指针，内存中该指针存储的内容会被当作一个地址，而且无法分辨该地址是否有效，如果是无效地址则会crash，如果是有效地址则可能会发生未知错误。 所以建议初始化所有的变量，尤其是指针，如果可能的话，只在指针需要指向的对象定义后定义指针，如果实在没有指向的对象，初始化为nullptr或0，这样程序可以检测到指针没有指向一个对象。

指针与赋值

指针和引用都是提供间接访问对象的方法，但是二者还是有很大的差别，其中最大的差别就是引用不是一个对象，一旦我们定义了一个应用就没有办法让它指向另一个对象，当我们使用引用的时候我们只会获得其最初绑定的对象。指针和其持有的地址之间的关系并不保证，当我们给一个指针赋值一个非引用对象时，将会给指针自身一个新的值。赋值让指针指向一个不同的对象。

int i = 0;
   int *pi = 0; //pi被初始化但是没有指向对象
   int *pi2 = &i //pi2被初始化且地址指向i
   int *pi3; //pi3定义了但是没有初始化
   pi3 = pi2; //pi2和pi3指向同一个对象
   pi2 = 0; //pi2不指向任何对象

有时候很难直接看出来赋值是改变了指针还是改变了指针指向的对象，最重要就是记住赋值改变左边的操作数，例子如下，我们给pi赋值改变的是pi持有的地址。

pi = &ival; //pi的值改变，现在pi指向ival

与此同时，以下例子是*pi（pi指向的值）改变了

*pi = 0;

❝void*是一个特殊的指针类型，其可以持有任何类型的对象的地址，

❞

理解复合类型

正如我们所看到的，一个变量定义包含了一个基本类型和一系列的声明符，每一个声明符与其相关的基本类型变量关联，且与其他在同一个定义里的声明符无关，所以一个定义可以定义多个不用类型的变量，例子如下

int i = 1024, *p = &1; &r = i;

定义多个变量

在之前的例子中很容易认为*和&作用于一个声明语句的所有对象，其很大一个原因是我们可以将修饰符与变量名分开如下

int* p; //合法但是很容易造成误解

int* p1, p2; //p1是一个指针，p2是一个整型

int *p1, *p2; //p1, p2都是指向整型的指针

指向指针的指针

通常来说，对于一个声明符来说修饰符的数量并没有限制，但有超过一个的修饰符时虽然符合逻辑，但是却不总是很明晰，例如考虑一个指针，一个指针是内存中的一个对象，所以我们可以将一个指针的地址存储在一个指针中。

int ival = 1024;
int *pi = &ival; //pi指向一个整型
int **ppi = π //ppi指向一个整型指针

指针的引用

由于引用不是一个对象，所以没有指向引用的指针，但是指针是一个对象，所以有指向指针的引用

int i = 42;
int *p1; //pi是一个整型指针
int *&r = p; //r是p的一个引用
r = &i; //r是p的引用，所以等同于p = &i
*r = 0; //将i的值设置为0