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C++ 指针和引用 吐血整理 Pointer&Reference

说道C++的指针，很多人都很头疼，也很confuse。经常把它和变量名，引用（reference）等混淆，其实这最主要的原因是很多程序员对于基本知识的掌握有问题，从而导致的很多基本概念的混淆。本文就是从最基本的概念讲起，着重分析和比较指针和引用。主要从以下几个方面着重的讲解：

1. 变量（variable）的表现形式；

2. 指针的结构和原理；

3. 引用的结构和原理；

4. 指针在Array中的应用和注意事项；

5. 指针不能dereference的几种情况；

一：变量的形式

说道变量，很多人都觉得非常简单，每天都在定义变量，应用变量。可是有没有停下脚步细细的品味一下具体什么是变量呢？变量（variable）的定义在计算机科学中到底是如何定义的？然后variable到底是在内存中如何存储值的呢？那么跟着上面的问题，我们来一一的解答，首先最重要的，variable的定义，当你申明一个变量的时候，计算机会将指定的一块内存空间和变量名进行绑定；这个定义很简单，但其实很抽象，例如：int x = 5; 这是一句最简单的变量赋值语句了， 我们常说“x等于5”，其实这种说法是错误的，x仅仅是变量的一个名字而已，它本身不等于任何值的。这条statement的正确翻译应该是：“将5赋值于名字叫做x的内存空间”，其本质是将值5赋值到一块内存空间，而这个内存空间名叫做x。切记：x只是简单的一个别名而已，x不等于任何值。其图示如下：

变量在内存中的操作其实是需要经过2个步骤的：

1）找出与变量名相对应的内存地址。

2）根据找到的地址，取出该地址对应的内存空间里面的值进行操作。

二：指针的结构和原理

首先介绍到底什么是指针？指针变量和任何变量一样，也有变量名，和这个变量名对应的内存空间，只是指针的特殊之处在于：指针变量相对应的内存空间存储的值恰好是某个内存地址。这也是指针变量区别去其他变量的特征之一。例如某个指针的定义如下：

int x = 5;
int *ptr = &x;

ptr即是一个指正变量名。通过指针获取这个指针指向的内存中的值称为dereference，这个的中文翻译叫啥我也不知道。【惭愧】，哈哈。dereference

其相对于内存空间的表示如下：

特别提醒：这里千万千万不要钻进变量名x, ptr的牛角尖里面，不要去思考这些变量名存储在哪里，变量名仅仅是一块内存空间的代号名字而已，我们应该关心的是这些变量名相对应的内存地址。根据上面的分析可以看出，指针变量和任何变量在内存中的形式是相同的，仅仅在于其存储的值比较特殊而已。

三：引用在内存中的结构和原理

引用（reference）在C++中也是经常被用到，尤其是在作为函数参数的时候，需要在函数内部修改更新函数外部的值的时候，可以说是引用场景非常丰富。但程序员一般很难或者不注意分析reference和pointer，只是知道怎么应用而已，而不去具体分析这个reference。下面我就来简单的分析一下这个reference。首先我们必须明确的一点就是：reference是一种特殊的pointer。从这可以看出reference在内存中的存储结构应该跟上面的指针是一样的，也是存储的一块内存的地址。例如reference的定义如下：

int x = 5;
int &y = x;

reference 和 pointer主要有以下3中不同点：

1）reference不需要dereference即可直接获取到指向的内存空间的值。例如上例中，直接y就可以获取reference y所指向的内存空间的值，而不需要*y来获取。

2）reference的赋值操作也不需要取地址符来赋值，可以直接通过变量名，例如上例中，int &y = x, 而不需要 int &y = &x;

3. reference 在申明的时候就必须要有初始值，而且reference变量指向的内存地址是不能变化，不像pointer那样可以很灵活的重新指向其他地址。

reference和pointer在内存中的结构和关系如下图所示：

四：指针在Array中的应用和注意事项

在C++中，一个Array类型的变量arr, 其实本质是一个指向数组第一个元素的指针。字符串string在C++中其实就是一个char类型的array，例如：char arr[] = {'a','b','c','d','e','\0'};这就是表示的一串字符串“abcde”，其中arr[0],arr[1], arr[2]..........之间相差的数值可能并不一定是1byte, 要根据这个数组的类型来判断，compiler会自动判断它们之间的相差值的; 另外在c++中字符串也可以用string literals(求大神翻译)的方式表示，即：char arr2 = "abcde"; 但是通过string literal方式表示的字符串是read only的，不能修改的， 例如：（arr2+1）= 'f'; 这句语句会产生error的。其在内存中的表现形式如下图所示：

五：指针不能dereference的情况

但一个指针的值是invalid的时候，那么这个指针是不能dereference的。那么到底哪几种情况是invalid的呢？主要有以下几种情况：

1）当这个指针的值是NULL的时候，这个指针是不能dereference的。因为指针为NULL，即表示这个指针指向内存地址为0的地址块，内存地址为0的内存空间是没有值的，所以是不能dereference的； 例如：int ptr = NULL; cout<<ptr<<endl; 是错误的。

2）当某个指针被deallocte或者某个指针所在的内存空间被erase了的话，那么这个指针也是不能被dereference的；例如下面的代码：

int *function(int a){
    
    int temp = 5;
    return &temp;
}

上面的代码返回的指针也是不能dereference的，因为temp出了作用域后会被系统回收这一块空间，temp所占的内存空间已经被erase了，所以它返回的指针是一个指向被erase了的内存空间。也是不能dereference的，否则会出错。编译阶段会给出警告，在runtime的时候，如果dereference是会有error的。

好了C++的指针（pointer）和引用（reference）就先总结到这里了。

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