C++中Reference與指針（Pointer）的使用對比

　　了解引用reference與指針pointer到底有什麼不同可以幫助你決定什麼時候該用reference，什麼時候該用pointer。

　　在C++ 中，reference在很多方面與指針(pointer)具有同樣的能力。雖然多數C++程序員對於何時使用reference何時使用pointer 都會有一些直覺，但總還是會有些時候搞不清楚。如果你想要建立一個關於使用reference使用的清晰有理的概念， 又有必要了解到底reference和pointer有什麼不同。

　　深層含義

　　與pointer 類似，一個reference是一個對象(object)，可以用來間接指向另一個對象。一個reference的聲明與pointer的聲明的實質語法結構是相同的。不同的是，聲明pointer的時候使用星號操作符 * ， 而聲明reference的時候使用地址操作符 & 。 例如，我們有:

　　int i = 3;

　　則有:

　　int *pi = &i;

　　聲明 pi 為一個指針類型的對象，並且是一個”指向int整型的指針”，它的初始值為對象i的地址。而另一方面：

　　int &ri = i;

　　聲明 ri為一個reference類型的對象，並且也是一個指向整型的reference，它指向的是i。 我們可以看到pointer和reference的聲明有顯著的不同，但這並不是決定何時使用哪一個的根據。決定的真正依據是當它們被用在表達式中時其顯 示的不同決定了使用哪一個合適

　　Pointer 和reference的最大不同是：pointer必須使用一個星號操作符 * 來去掉reference (英文叫做dereference，我不知道這裡怎樣翻譯這個詞合適，姑且就叫“去參考”吧)而reference不需要任何操作符來去參考。 例如， 有了上面例子中的定義， 間接表達式 *pi 將 pi 去參考為指向i。相反， 表達式ri-不需要任何操作符-自動將ri去參考為指向i。因此， 使用指針p，我們需要用賦值語句:

　　*p = 4;

　　將i的值變為4; 而使用reference ri，我們只需要直接寫：

　　ri = 4;

　　就可以同樣將i的值變為4 。

　　這個顯示的不同在當你為函數的參數類型和返回值類型選擇是使用pointer還是reference的時候就會顯著起來，尤其是對於重載操作符的函數。

　　下面使用一個針對列舉類型(enumeration)的++操作符例子來說明上面這點。在C++中， 內置的++操作符對列舉類型無效，例如， 對下面定義：

　　enum day{

　　Sunday, Monday, …

　　};

　　day x;

　　表達式 ++x 不能編譯。如果想讓它通過編譯，必須要定義一個名為operator++的函數，接受day為參數，並且調用 ++x 必須改變x的值。因此， 僅聲明一個函數 operator++ ， 以類型day為參數， 如下:

　　day operator++(day d);

　　並不能夠得到想要得效果。 這個函數通過值傳遞參數(pass by value)，這就意味著函數內看到的是參數的一個拷貝，而不是參數本身。為了使函數能夠改變其操作數(operand)的值，它必須通過指針或reference來傳遞其操作數。

　　通過指針傳遞參數(passing by pointer)，函數定義如下:

　　day *operator++(day *d);

　　它通過將增加後的值存儲到*d裡面來使函數改變日期(day)的值。但是，這樣你就必須使用像表達式++&x這樣來調用這個操作符，這看起來不太對勁兒。

　　正確的方法是定義operator++以reference為參數類型，如下:

　　day &operator++(day &d)

　　{

　　d = (day)(d + 1);

　　return d;

　　}

　　使用這個函數， 表達式 ++x 才有正確的顯示以及正確的操作。

　　Passing by reference不僅僅是寫operator++較好的方法，而是唯一的方法。 C++在這裡並沒有給我們選擇的余地。 像下面的聲明:

　　day *operator++(day *d);

　　是不能 通過編譯的。每個重載的操作符函數必須或者是一個類的成員， 或者使用類型T、 T & 或 T const & 為參數類型，這裡T是一個類(class)或列舉(enumeration)類型。 也就是說，每一個重載操作符必須以類或列舉類型為參數類型。指針，即使是指向一個類或列舉類型對象的指針，也不可以用。C++ 不允許在重載操作符時重新定義內置操作符的含義，包括指針類型。因此，我們不可以定義：

　　int operator++(int i); // 錯誤

　　因為它試圖對int重新定義操作符 ++ 的含義。 我們也不可以定義：

　　int *operator++(int *i); // 錯誤

　　因為它試圖對 int * 重新定義操作符 ++ 的含義。

　　References vs. const pointers

　　C++ 中不允許定義”const reference”， 因為一個reference天生就是const。也就是說，一旦將一個reference綁定到一個對象，就無法再將它重新綁定到另一個不同的對象。在聲 明一個reference之後沒有寫法可以將它重新綁定到另外一個對象。例如：

　　int &ri = i;

　　將 ri 綁定到 i 。然後下面的賦值:

　　ri = j;

　　並不是把 ri 綁定到 j ，而是將 j 中的值賦給 ri 指向的對象，也就是賦給 i 。

　　簡而言之，一個pointer在它的有生之年可以指向許多不同的對象，而一個reference只能夠指向一個對象。有些人認為這才是 reference和 pointer最大的不同。我並不贊成。也許這是reference與pointer的一點不同， 但並不是reference和const pointer的不同。在強調一遍，一旦一個reference與一個對象綁定，就不能再將它改指向另外的東西。既然不能再綁定reference之後再 改變， 一個reference就必須在一出生就被綁定。否則這個reference就永遠不能被綁定到任何東西，也就毫無用處了。

　　上一段的討論也同樣完全適用於常量指針(const pointer)。(注意，我這裡說的是常量指針(const pointer)， 而不是指向常量的指針 “pointers to const”。) 例如，一個reference聲明必須同時帶有一個初始化賦值，如下所示：

　　void f()

　　{

　　int &r = i;

　　…

　　}

　　省略這個初始化賦值將產生一個編譯錯誤：

　　void f()

　　{

　　int &r; //錯誤

　　…

　　}

　　一個常量指針的聲明也同樣必須帶有一個初始化賦值，如下所示：

　　void f()

　　{

　　int *const p = &i;

　　…

　　}

　　省略這個初始化賦值同樣會出錯：

　　void f(){

　　int *const p; // 錯誤

　　…

　　}

　　在我看來， 不能夠對reference二次綁定作為reference與pointer的不同。並不比常量指針和非常量指針的不同更為顯著。

　　Null references

　　除了顯示的不同，常量指針與reference還有一點非常不同，那就是，一個有效的reference必須指向一個對象;而一個指針不需要。一個指針，即使是一個常量指針， 都可以有空值。 一個空指針不指向任何東西。

　　這點不同就暗示當你想要確信一個參數必須指向一個對象的時候，應該使用reference作為參數類型。 例如，交換函數(swap function)，它接受兩個int參數，並將兩個參數的數值對調，如下所示：

　　int i, j;

　　swap(i, j);

　　將原本在 i 中的值放到 j 中， 並將原本在 j 中的值放到 i 中。我們可以這樣寫這個函數：

　　void swap(int *v1, int *v2)

　　{

　　int temp = *v1;

　　*v1 = *v2;

　　*v2 = temp;

　　}

　　這種定義下，函數要像這樣被調用: swap(&i, &j);

　　這個接口暗示其中一個或兩個參數都有可能為空(null)。而這個暗示是誤導的。例如，調用

　　swap(&i, NULL);

　　的後果很可能是不愉快的。

　　而像下面這樣定義reference為參數：

　　void swap(int &v1, int &v2)

　　{

　　int temp = v1;

　　v1 = v2;

　　v2 = temp;

　　}

　　清晰的表明了調用swap應該提供兩個對象，它們的值將被交換。 並且這樣定義的另一個好處是，在調用這個函數的時候，不需要使用那些&符號，看起來更順眼：

　　swap(i, j);

　　更安全?

　　有些人認為既然reference不能夠為空，那麼它應該比指針更安全。 我認為reference可能要安全一點，但不會安全很多。雖然一個有效的reference不能為空，但是無效的可以呀。實際上，在很多情況下程序有可 能產生無效的reference，而不只是空的reference。 例如，你可以定義一個reference，使它綁定到一個指針指向的對象，如下所示：

　　int *p;

　　…

　　int &r = *p;

　　如果指針*p在reference定義時剛好為空，則這個reference為空。 從技術上來說，這個錯誤並不在於將reference綁定到一個空值，而是在於對一個空指針去參考。 對一個空指針去參考產生了一個不確定的操作，也就意味著很多事都可能發生，而且大部分都不是什麼好事。很有可能當程序將reference r 綁定到*p (p所指向的對象)的時候，p實際上沒有被去參考，甚至程序只是將p的值拷貝給實現r的指針。而程序將會繼續執行下去直到錯誤在後面的運行中更為明顯的表 現出來，產生不可預知的危害。

　　下面的函數展示了另外一種產生無效reference的方法：

　　int &f()

　　{

　　int i;

　　…

　　return i;

　　}

　　這個函數返回一個指向本地變量 i 的reference。然而當函數返回時，本地變量