面试题：C++ 引用和指针自增运算在复杂数据结构中的行为

Question

假设有一个自定义的结构体 `struct Node { int data; Node* next; };`，定义一个 `Node` 类型的数组 `Node nodes[3] = { {1, &nodes[1]}, {2, &nodes[2]}, {3, nullptr} };`，同时定义一个指向数组首元素的指针 `Node* ptr = nodes;` 和对首元素的引用 `Node& ref = nodes[0];`。对指针和引用分别进行自增运算 `ptr++;` 和 `ref++;`，这里 `ref++` 意味着 `ref.data++;` 且 `ref.next++;`（假设允许这样的操作）。请详细描述两种自增运算对整个数据结构造成的影响，并说明在这种情况下引用自增可能存在的问题。

Answer 1

1. 指针自增运算 ptr++ 的影响：
   • ptr 原本指向 nodes[0]。执行 ptr++ 后，ptr 会指向 nodes 数组的下一个元素 nodes[1]。
   • 对 nodes 数组中的数据本身没有修改，只是 ptr 这个指针的指向发生了变化。整个链表结构的逻辑关系没有改变，nodes[0] 依然通过 next 指针指向 nodes[1]，nodes[1] 指向 nodes[2]，nodes[2] 的 next 为 nullptr。
2. 引用自增运算 ref++（假设允许这样的操作，即 ref.data++; 且 ref.next++;）的影响：
   • ref.data++ 的影响：nodes[0] 的 data 成员从 1 变为 2。
   • ref.next++ 的影响：nodes[0] 的 next 指针原本指向 nodes[1]，执行 ref.next++ 后，next 指针指向了 nodes 数组之后的内存位置（这是未定义行为，因为 nodes 数组之后的内存不是 Node 类型对象的有效内存）。这会破坏链表结构，导致从 nodes[0] 无法正确访问到 nodes[1] 以及后续节点，整个链表的连续性被打破。
3. 引用自增可能存在的问题：
   • 内存访问越界：ref.next++ 使 next 指针指向了 nodes 数组之外的内存，这是未定义行为。程序可能会崩溃，或者出现难以调试的逻辑错误，因为访问了不应该访问的内存区域。
   • 破坏数据结构：由于 next 指针指向错误位置，链表结构被破坏，后续对链表的遍历、查找等操作都会失败。