面试题：C++ 中指针与引用的区别

Question

请详细阐述 C++ 中指针与引用的区别，包括但不限于定义、初始化、内存分配、可修改性、空值处理、应用场景等方面。

Answer 1

定义

• 指针：指针是一个变量，其值为另一个变量的地址，即内存位置的直接地址。通过使用 * 运算符来声明指针类型，例如 int* p; 声明了一个指向 int 类型变量的指针 p。
• 引用：引用是已存在变量的别名，通过使用 & 运算符来声明引用类型，例如 int a = 10; int& ref = a; 声明了一个 int 类型变量 a 的引用 ref。

初始化

• 指针：指针可以先声明后初始化，也可以在声明时初始化。例如：

int* p;
int num = 10;
p = #

// 或者在声明时初始化
int num2 = 20;
int* p2 = &num2;

指针在未初始化时，其值是未定义的，使用未初始化的指针会导致未定义行为。

• 引用：引用在声明时必须初始化，一旦初始化后就不能再引用其他变量。例如：

int num3 = 30;
int& ref3 = num3;

内存分配

• 指针：指针本身需要占用内存空间，用于存储所指向变量的地址。在 32 位系统上，指针通常占用 4 个字节；在 64 位系统上，指针通常占用 8 个字节。指针所指向的变量也有其独立的内存空间。
• 引用：引用本身不占用额外的内存空间，它只是目标变量的别名，与目标变量共享同一内存地址。

可修改性

• 指针：指针的值（即所指向的地址）可以在其生命周期内修改，使其指向不同的变量。例如：

int num4 = 40;
int num5 = 50;
int* p4 = &num4;
p4 = &num5;

• 引用：引用一旦初始化，就不能再引用其他变量，始终指向初始化时的那个变量。不过可以修改引用所指向变量的值。例如：

int num6 = 60;
int& ref6 = num6;
ref6 = 70; // 修改 num6 的值

空值处理

• 指针：指针可以赋值为 nullptr（C++11 之后）或 NULL（C++11 之前），表示不指向任何有效的内存地址。在使用指针之前，通常需要检查其是否为 nullptr，以避免空指针解引用导致的程序崩溃。例如：

int* p5 = nullptr;
if (p5 != nullptr) {
    *p5 = 80;
}

• 引用：引用不能为 nullptr，因为引用必须始终绑定到一个有效的对象。试图创建一个空引用是不合法的，会导致编译错误。

应用场景

• 指针：
  • 动态内存分配：在使用 new 和 delete 操作符进行动态内存分配和释放时，通常使用指针来管理这些动态分配的内存。例如：

int* dynamicArray = new int[10];
// 使用完后释放内存
delete[] dynamicArray;

- **实现数据结构**：如链表、树等动态数据结构，指针用于连接各个节点。
- **函数参数传递**：当需要在函数中修改传入变量的值，或者传递一个可能为空的对象引用时，指针是一个合适的选择。

• 引用：
  • 函数参数传递：当希望避免对象的拷贝，并且确保函数内部对参数的修改反映到调用者的变量上时，引用是常用的选择。特别是对于大型对象，使用引用传递可以提高性能。例如：

void modifyValue(int& value) {
    value++;
}
int num7 = 10;
modifyValue(num7); // num7 的值变为 11

- **运算符重载**：在重载某些运算符（如 `operator<<` 用于输出流操作）时，常使用引用作为参数，以避免不必要的对象拷贝。