了解引用reference與指針pointer到底有什么不同可以幫助你決定什么時候該用reference，什么時候該用pointer。

在C++ 中，reference在很多方面與指針(pointer)具有同樣的能力。雖然多數(shù)C++程序員對于何時使用reference何時使用pointer 都會有一些直覺，但總還是會有些時候搞不清楚。如果你想要建立一個關(guān)于使用reference使用的清晰有理的概念， 又有必要了解到底reference和pointer有什么不同。
深層含義

一

與pointer 類似，一個reference是一個對象(object)，可以用來間接指向另一個對象。一個reference的聲明與pointer的聲明的實質(zhì)語法結(jié)構(gòu)是相同的。不同的是，聲明pointer的時候使用星號操作符 * ， 而聲明reference的時候使用地址操作符 & 。 例如，我們有:
int i = 3;
則有:
int *pi = &i;
聲明 pi 為一個指針類型的對象，并且是一個”指向int整型的指針”，它的初始值為對象i的地址。而另一方面：
int &ri = i;
聲明 ri為一個reference類型的對象，并且也是一個指向整型的reference，它指向的是i。 我們可以看到pointer和reference的聲明有顯著的不同，但這并不是決定何時使用哪一個的根據(jù)。決定的真正依據(jù)是當(dāng)它們被用在表達(dá)式中時其顯示的不同決定了使用哪一個合適

Pointer 和reference的最大不同是：pointer必須使用一個星號操作符 * 來去掉reference （英文叫做dereference，我不知道這里怎樣翻譯這個詞合適，姑且就叫“去參考”吧）而reference不需要任何操作符來去參考。 例如， 有了上面例子中的定義， 間接表達(dá)式 *pi 將 pi 去參考為指向i。相反， 表達(dá)式ri-不需要任何操作符-自動將ri去參考為指向i。因此， 使用指針p，我們需要用賦值語句:
*p = 4;
將i的值變?yōu)?； 而使用reference ri，我們只需要直接寫：
ri = 4;
就可以同樣將i的值變?yōu)? 。

二

這個顯示的不同在當(dāng)你為函數(shù)的參數(shù)類型和返回值類型選擇是使用pointer還是reference的時候就會顯著起來，尤其是對于重載操作符的函數(shù)。

下面使用一個針對列舉類型（enumeration）的++操作符例子來說明上面這點。在C++中， 內(nèi)置的++操作符對列舉類型無效，例如， 對下面定義：

enum day{
  Sunday, Monday, …
  };
  day x;

表達(dá)式 ++x 不能編譯。如果想讓它通過編譯，必須要定義一個名為operator++的函數(shù)，接受day為參數(shù)，并且調(diào)用 ++x 必須改變x的值。因此， 僅聲明一個函數(shù) operator++ ， 以類型day為參數(shù)， 如下:
day operator++(day d);
并不能夠得到想要得效果。 這個函數(shù)通過值傳遞參數(shù)(pass by value)，這就意味著函數(shù)內(nèi)看到的是參數(shù)的一個拷貝，而不是參數(shù)本身。為了使函數(shù)能夠改變其操作數(shù)(operand)的值，它必須通過指針或reference來傳遞其操作數(shù)。

通過指針傳遞參數(shù)(passing by pointer)，函數(shù)定義如下:
day *operator++(day *d);
它通過將增加后的值存儲到*d里面來使函數(shù)改變?nèi)掌?day)的值。但是，這樣你就必須使用像表達(dá)式++&x這樣來調(diào)用這個操作符，這看起來不太對勁兒。

正確的方法是定義operator++以reference為參數(shù)類型，如下:

day &operator++(day &d)
    {
    d = (day)(d + 1);
    return d;
    }

使用這個函數(shù)， 表達(dá)式 ++x 才有正確的顯示以及正確的操作。

Passing by reference不僅僅是寫operator++較好的方法，而是唯一的方法。 C++在這里并沒有給我們選擇的余地。 像下面的聲明:
day *operator++(day *d);
是不能通過編譯的。每個重載的操作符函數(shù)必須是一個類的成員， 或者使用類型T、 T & 或 T const & 為參數(shù)類型，這里T是一個類(class)或列舉(enumeration)類型。 也就是說，每一個重載操作符必須以類或列舉類型為參數(shù)類型。指針，即使是指向一個類或列舉類型對象的指針，也不可以用。C++ 不允許在重載操作符時重新定義配合基本數(shù)據(jù)類型使用的內(nèi)置操作符的含義，包括指針類型。因此，我們不可以定義：
int operator++(int i); // 錯誤
因為它試圖對int重新定義操作符 ++ 的含義。 我們也不可以定義：
int *operator++(int *i); // 錯誤
因為它試圖對 int * 重新定義操作符 ++ 的含義。

三 References vs. const pointers

C++ 中不允許定義”const reference”， 因為一個reference天生就是const。也就是說，一旦將一個reference綁定到一個對象，就無法再將它重新綁定到另一個不同的對象。在聲 明一個reference之后沒有寫法可以將它重新綁定到另外一個對象。例如：
int &ri = i;
將 ri 綁定到 i 。然后下面的賦值:
ri = j;
并不是把 ri 綁定到 j ，而是將 j 中的值賦給 ri 指向的對象，也就是賦給 i 。

簡而言之，一個pointer在它的有生之年可以指向許多不同的對象，而一個reference只能夠指向一個對象。有些人認(rèn)為這才是 reference和 pointer最大的不同。我并不贊成。也許這是reference與pointer的一點不同， 但并不是reference和const pointer的不同。在強(qiáng)調(diào)一遍，一旦一個reference與一個對象綁定，就不能再將它改指向另外的東西。既然不能在綁定reference之后再改變， 一個reference就必須在一出生就被綁定，即定義的時候就必須被綁定。否則這個reference就永遠(yuǎn)不能被綁定到任何東西，也就毫無用處了。

上一段的討論也同樣完全適用于常量指針（const pointer）。（注意，我這里說的是常量指針（const pointer——char * const pStr;）， 而不是指向常量的指針 “pointers to const——const char * pStr”。) 例如，一個reference定義時必須同時帶有一個初始化賦值，如下所示：

void f()
    {
    int &r = i;
    …
    }

省略這個初始化賦值將產(chǎn)生一個編譯錯誤：

    void f()
    {
    int &r; //錯誤
    …
    }

一個常量指針的聲明也同樣必須帶有一個初始化賦值，如下所示：

    void f()
    {
    int * const p = &i;
    …
    }

省略這個初始化賦值同樣會出錯：

void f(){
int * const p; // 錯誤
 int * const p = NULL; // 正確，可以指向空指針。
…
}

可見， 不能夠?qū)eference二次綁定和常量指針相似。

四 Null references

除了顯示的不同，常量指針與reference還有一點非常不同，那就是，一個有效的reference必須指向一個對象；而一個指針不需要。一個指針，即使是一個常量指針， 都可以有空值。 一個空指針不指向任何東西。

這點不同就暗示當(dāng)你想要確信一個參數(shù)必須指向一個對象的時候，應(yīng)該使用reference作為參數(shù)類型。 例如，交換函數(shù)(swap function)，它接受兩個int參數(shù)，并將兩個參數(shù)的數(shù)值對調(diào)，如下所示：

int i, j;
swap(i, j);

將原本在 i 中的值放到 j 中， 并將原本在 j 中的值放到 i 中。我們可以這樣寫這個函數(shù)：

void swap(int *v1, int *v2)
{
int temp = *v1;
*v1 = *v2;
*v2 = temp;
}

這種定義下，函數(shù)要像這樣被調(diào)用: swap(&i, &j);

這個接口暗示其中一個或兩個參數(shù)都有可能為空(null)。而這個暗示是誤導(dǎo)的。例如，調(diào)用
swap(&i, NULL);
的后果很可能是不愉快的，試圖去參考空指針會發(fā)生段錯誤。

而像下面這樣定義reference為參數(shù)：

void swap(int &v1, int &v2)
{
int temp = v1;
v1 = v2;
v2 = temp;
}

清晰的表明了調(diào)用swap應(yīng)該提供兩個對象，而不能提供NULL空值，它們的值將被交換。 并且這樣定義的另一個好處是，在調(diào)用這個函數(shù)的時候，不需要使用那些&符號，看起來更順眼：
swap(i, j);

五 reference更安全?

有些人認(rèn)為既然reference不能夠為空，那么它應(yīng)該比指針更安全。 我認(rèn)為reference可能要安全一點，但不會安全很多。雖然一個有效的reference不能為空，但是無效的可以呀。實際上，在很多情況下程序有可 能產(chǎn)生無效的reference，而不只是空的reference。 例如，你可以定義一個reference，使它綁定到一個指針指向的對象，如下所示：

    int *p;
    …
    int &r = *p;

如果指針*p在reference定義時剛好為空，則這個reference為空。 從技術(shù)上來說，這個錯誤并不在于將reference綁定到一個空值，而是在于對一個空指針解除引用——*p。 對一個空指針解除引用產(chǎn)生了一個不確定的操作，也就意味著很多事都可能發(fā)生，而且大部分都不是什么好事。很有可能當(dāng)程序?qū)eference r 綁定到*p (p所指向的對象)的時候，p實際上沒有被解除引用，甚至程序只是將p的值拷貝給實現(xiàn)r的指針。而程序?qū)^續(xù)執(zhí)行下去直到錯誤在后面的運行中更為明顯的表現(xiàn)出來，產(chǎn)生不可預(yù)知的危害。

下面的函數(shù)展示了另外一種產(chǎn)生無效reference的方法：

    int & f()
    {
    int i;
    …
    return i;
    }

這個函數(shù)返回一個指向本地變量 i 的reference。然而當(dāng)函數(shù)返回時，本地變量 i 的存儲空間也就消失了。因此這個函數(shù)實際返回了一個指向被回收了的空間的reference。這個操作與返回一個指向本地變量的指針的后果相同。有些編譯器可以在編譯時發(fā)現(xiàn)這個錯誤，但也很有可能不會發(fā)現(xiàn)。

注意：不能在將一個reference作為函數(shù)返回類型時，卻return函數(shù)內(nèi)部創(chuàng)建的臨時變量。這樣會導(dǎo)致在程序運行結(jié)束后，臨時變量內(nèi)存被釋放，則reference指向的內(nèi)容不見了，下次使用該reference時將發(fā)生錯誤。

我喜歡reference，也有很好的理由使用它們代替pointer。但如果你期望使用reference來使你的程序健壯性顯著增強(qiáng)，那么你多半會失望的。

轉(zhuǎn)載自程序員實驗室對Dan Saks的文章 References vs. Pointers的翻譯。
譯文地址：http://www.prglab.com/blog/p/28
原文地址：http://www.embedded.com/story/OEG20010311S0024