指针与引用

Posted 2023-05-27 张好动

指针与引用

本文讲解编程语言中指针(Pointer)与引用(Reference)的概念, 并且对比了常见语言中这两个概念的区别.

C++

指针和引用在C++中是非常重要的概念, 初学者很容易在指针和引用的概念上混淆(因为这两者太像了).

如何理解两者的本质:

• 指针的本质: 存储地址的变量(实体)
• 引用的本质: 变量的别名

但在汇编层面指针和引用是一样的,只是编译器对两者做了区分,引用可以看作是更加安全的指针,进行了许多限制,大部分情况应该优先使用引用。

下面列个表格,对比这两者的区别

• &的二义性: 既是引用的定义, 也是取地址符

	指针 ( *a=&v;)	引用 ( &a=v;)
可以多级 (type **a)	√	×
可以不用初始化	√	×
可以指向 NULL	√	×
可以改变	√	×
有自己独立的地址	√	×
sizeof(a)	len( *)	len()
自增运算	地址++	变量值++
成员访问	->	.
const（右）	* const (指针不可变)	& const (未定义)
const（左）	const * (指向对象不可变)	const & (引用对象不可变)

• 指针的引用 ( *&r = p;)
• 引用的指针 ( *p = &r;)

使用场景

优先使用引用，必要时用指针

• 指针的操作权限更多, 容易带来危险操作

指针的使用场景

• 实现链表或者树之类的数据结构
• 传递函数参数 (避免copy引起的开销)

引用的使用场景

• 传递函数参数 (避免copy引起的开销, 且不需要检查引用是否为NULL)

此外还有函数指针,这里不谈了 (C++的内容实在是繁杂)

Go

Golang中也有指针类型, 但没有引用.

而且Go的指针也与C++中的指针有很多不同之处:

• 指针值不支持数学运算 (避免指针对内存的任意操作)
• 不同类型的指针无法直接赋值
• 局部变量的指针可以被"安全"的返回

这里需要介绍一些关于Go中的函数参数传递的知识.

• Go中只有值传递 (指针类型一样)

• 如果需要在函数中修改参数值, 可以使用指针

• 引用类型变量存储的是地址, 因此可以在参数中修改原值

  Go的变量包括值类型和引用类型, 引用类型只有slice, channel 和 map 三种, 引用类型的特点是变量存储的是地址, 因此传引用类型到函数中修改会影响原值.

Python

Python没有引用, 也没有显式的指针, 只有对象引用, 这和其内存管理方式密切相关.

Python是通过"引用计数"自动管理内存的, 程序中的每个对象的引用个数都会被记录, 当引用个数为0时会被垃圾回收机制回收, 既不需要分配, 也不用担心回收.

Python中一切皆对象, 对象是一个三元组 (Id, Type, Value), 变量和对象之间的关系为引用, 变量更像是指针.

Python的对象类型分为可变(mutable)和不可变(immutable). 可变类型包括 list, dict, set, bytearray, user-defined classes, 这些类型在函数内部修改会影响原值.

这里又会引出浅拷贝和深拷贝的区别. 浅拷贝只复制了对象的引用, 本质共享同一个对象; 深拷贝则是创建了对象的副本, 修改不会影响原值.

Java

Java的数据类型分为基本类型(byte, short, int, long, double, float, char, boolean)和引用类型.

Java中没有指针, 但引用本质上就是"指针", Java引用存储实际就是对象的地址, 引用存储在栈区, 而对象存储在堆区. 区别在于Java引用对指针进行了封装, 使其无法直接操作内存.

Java引用和C++引用存在区别, Java引用有自己的内存 (和C++指针比较像), 存储地址, 而C++引用只是别名.

参考

C++中指针与引用的区别 - 知乎 (zhihu.com)

C++中，引用和指针的区别是什么？ - 知乎 (zhihu.com)

C++中“引用”的底层实现 - hoodlum1980 - 博客园 (cnblogs.com)

Go 语言没有引用类型，指针也与众不同 - 知乎 (zhihu.com)

go 值类型与引用类型_欧阳惜竹的博客-CSDN博客

Python学习系列之值类型与引用类型_answer3lin的博客-CSDN博客

Java真的没有“指针”吗？ - 知乎 (zhihu.com)

为啥打印指针与打印取消引用的指针打印相同的东西？

【中文标题】为啥打印指针与打印取消引用的指针打印相同的东西？

【英文标题】：Why does printing a pointer print the same thing as printing the dereferenced pointer?为什么打印指针与打印取消引用的指针打印相同的东西？

【发布时间】：2015-03-07 07:18:54

【问题描述】：

来自 Rust 指南：

要取消引用（获取被引用的值而不是引用本身）y，我们使用星号 (*)

所以我做到了：

fn main() 
    let x = 1;
    let ptr_y = &x;
    println!("x: , ptr_y: ", x, *ptr_y);

即使没有显式取消引用，这也会给我相同的结果 (x=1; y=1)：

fn main() 
    let x = 1;
    let ptr_y = &x;
    println!("x: , ptr_y: ", x, ptr_y);

为什么？ ptr_y不应该打印内存地址，*ptr_y不应该打印1吗？是否有某种自动取消引用或我错过了什么？

【参考方案1】：

Rust 通常关注对象值（即内容中有趣的部分）而不是对象标识（内存地址）。 implementation of Display for &T 其中T 实现Display 直接遵循内容。为Display 的String 实现手动扩展该宏：

impl<'a> Display for &'a String 
    fn fmt(&self, f: &mut Formatter) -> Result 
        Display::fmt(&**self, f)
    

也就是说，它只是直接打印它的内容。

如果您关心对象身份/内存地址，可以使用Pointer formatter、:p：

fn main() 
    let x = 1;
    let ptr_y = &x;
    println!("x: , ptr_y: , address: :p", x, ptr_y, ptr_y);

输出：

x: 1, ptr_y: 1, address: 0x7fff4eda6a24

playground

【讨论】：

我在您发布后不久在 Rust 指南中阅读了有关指针的信息，他们只是使用“:p, ptr_y”，因为“println！会自动为我们取消引用它”。一个简短的问题：我通常使用“Type name = value”或“int test = 1”之类的东西。似乎我不能在 Rust 中将它作为选项，“let int test = 1”会产生编译器错误？我知道编译器会自动获取类型，但为了我的语法，我想在声明时将它写在我的代码中:(。无论如何，即使我不知道宏到底在做什么，也要感谢你的回答:)。

哦，是的，:p 也可以，p format specifier 是 implemented for various kinds of pointers 只打印地址。

Types are specified as let x: Type = 1;.

很好，这就是我需要知道的一切:)。现在我需要掌握更大的东西，我只习惯于 OO 并且不知道之后发生的任何事情（doc.rust-lang.org/book/intermediate.html），尤其是模板和通用的东西。感谢您的帮助。

【参考方案2】：

fn main() 
 let x = &42;
 let address = format!(":p", x); // this produces something like '0x7f06092ac6d0'
 println!("", address);