面试题：C++引用与指针在复杂数据结构中的内存占用及应用场景

Question

在一个包含指针和引用成员的自定义类`MyClass`中，例如`class MyClass { int* ptr; int& ref; };`，假设类的构造函数正确初始化了指针和引用，分析该类对象的内存布局以及指针和引用分别在其中的内存占用情况。另外，阐述在哪些实际应用场景下更倾向于使用指针，哪些场景更适合使用引用，并说明原因。

Answer 1

1. MyClass类对象的内存布局及指针和引用内存占用情况

1. 内存布局：MyClass类对象的内存布局包含一个指针ptr和一个引用ref。指针ptr存储的是它所指向的int类型数据的地址，而引用ref在底层实现上其实也是通过指针来实现的，它也占用存储地址的空间。所以MyClass对象的内存中依次存放ptr的地址值和ref所对应的底层指针的地址值。
2. 内存占用：在常见的32位系统中，指针（包括引用底层实现的指针）占用4字节；在64位系统中，指针（包括引用底层实现的指针）占用8字节。

2. 指针和引用适用场景及原因

1. 指针适用场景：
   • 动态内存分配：当需要在运行时动态分配和释放内存时，指针是必不可少的。例如，使用new和delete操作符来创建和销毁对象。因为引用一旦初始化就不能再改变其绑定对象，而指针可以灵活地指向不同的内存地址。例如在实现链表、树等动态数据结构时，指针用于连接各个节点。
   • 表示“无对象”情况：指针可以设置为nullptr（在C++11及以后）来表示它不指向任何对象，这在某些情况下非常有用，比如在查找算法中，如果未找到目标元素，返回的指针可以设为nullptr。而引用必须始终绑定到一个有效的对象，无法表示这种“无对象”状态。
2. 引用适用场景：
   • 函数参数和返回值：当希望函数能够修改传入对象的值，同时又不想传递对象副本以提高效率时，引用作为函数参数是很好的选择。与指针相比，引用语法更简洁，并且避免了指针可能出现的空指针解引用错误。例如在void swap(int& a, int& b)函数中，使用引用可以直接操作传入的变量。对于函数返回值，如果返回的是局部对象的引用是不合法的，但如果返回对象是类成员或者全局对象等生命周期较长的对象，使用引用返回可以避免对象拷贝，提高效率。
   • 运算符重载：在重载一些运算符（如operator<<用于输出流操作符重载）时，使用引用作为参数可以避免不必要的对象拷贝，同时保证对对象的直接操作。例如ostream& operator<<(ostream& os, const MyClass& obj)，这种方式既高效又符合习惯用法。