既然有指针了，为什么c++还搞个引用出来？

这个问题问得好，而且非常实在。在C++的世界里，确实存在指针，它们能做到很多事情，指向内存中的某个地址，让你直接操控那块区域。那么，为什么我们还需要一个叫做“引用”的东西呢？这背后有深刻的设计理念和实际需求，远不止是“多一个语法糖”那么简单。

要理解这个问题，咱们得先掰开了揉碎了看看指针和引用各自是啥玩意儿，以及它们存在的意义。

先说说指针，我们熟悉的那个老朋友：

指针，说白了，就是内存地址的“数字”。当你说一个变量（比如 `int a = 10;`）的时候，编译器会在内存里找一块地方，把`10`这个值放进去，并且给这块地方一个地址。

而指针变量呢，它自己也占内存，它里面存的是另外一个变量的内存地址。比如：

```c++
int a = 10;
int ptr_a = &a // ptr_a 里面存的是变量 a 的内存地址
```

指针的强大之处在于它的灵活性和直接性：

1. 直接内存访问： 你可以通过指针直接去内存中的某个位置读写数据。这就意味着你可以做很多底层操作，比如动态内存分配（`malloc`/`new`）、链表、树等数据结构的实现，甚至进行一些硬件交互。
2. 传递地址，避免拷贝： 当你需要将一个大型对象传递给函数时，如果直接传递对象本身，会发生一次完整的拷贝。而传递指针（只拷贝一个地址）就高效得多。
3. 指向“无处”或“动态分配”的内存： 指针可以指向 `nullptr`（空指针），表示不指向任何有效的内存地址。它还可以指向通过 `new` 等操作在堆上动态分配的内存，这使得程序在运行时能够根据需要管理内存。
4. 指针算术： 指针可以进行加减运算，移动到相邻的内存位置。这对于处理数组或者连续内存块非常有用。

但指针也伴随着一些“麻烦”：

不安全： 你可以轻易地让指针指向一块无效的内存（野指针），或者解引用一个空指针，这会导致程序崩溃或者产生不可预测的行为。
语法稍显复杂： 访问指针指向的内容需要解引用操作符 ``，而获取地址需要地址运算符 `&`。`ptr>member` 这种写法虽然方便，但本质上还是 `(ptr).member`。
可能为空： 一个指针可能不指向任何东西，你必须时刻检查它是否是 `nullptr` 才能安全地使用。

现在，我们来看看引用，这个看似“多余”的玩意儿：

引用，从语法层面看，更像是给一个已存在的变量起了一个“别名”。一旦你创建了一个引用，它就永远指向那个被引用的变量，并且不能被改变去指向其他变量。

```c++
int a = 10;
int& ref_a = a; // ref_a 就是变量 a 的一个别名
```

通过引用进行操作，本质上就是对它所引用的那个变量进行操作：

```c++
ref_a = 20; // 这相当于 a = 20;
std::cout << ref_a << std::endl; // 输出 20
std::cout << a << std::endl; // 也输出 20
```

那么，引用有什么好处，让C++设计者觉得非加不可呢？关键在于它的安全性和语义清晰度。

1. 强制初始化且非空： 这是引用最核心的优势之一。引用在声明时必须初始化，并且一旦初始化，就不能再改变它所引用的对象。这意味着引用永远不会是空的（除非你用一些非常规手段绕过编译器的检查，那也属于“作弊”了），这极大地降低了因空指针导致崩溃的风险。
2. 语法更简洁、更自然： 引用使得函数调用和变量访问的语法更加直观。当你传递一个引用给函数时，函数内部对这个引用的任何修改，都会直接反映到原始变量上，就像你直接操作原始变量一样，不需要像指针那样使用 `` 或 `>`。

```c++
void increment(int& num) {
num++; // 直接操作，比 int num 的 num++ 要自然
}

int main() {
int x = 5;
increment(x); // 传递 x 的引用
std::cout << x << std::endl; // 输出 6
return 0;
}
```
这比 `void increment(int num) { (num)++; }` 这种写法更加清晰明了，也更不容易出错。

3. 作为函数返回值： 引用也可以作为函数的返回值，允许函数“返回”一个变量，而不是返回一个值的拷贝。这在某些情况下可以避免不必要的拷贝，提高效率，同时允许对返回的对象进行修改（就像上面 `increment` 函数的例子）。例如，你可以重载 `operator[]` 来实现像 `vector[i] = 10;` 这样的操作，`operator[]` 通常返回一个引用。

4. 重载运算符的强大工具： 在C++中，许多运算符的重载都离不开引用。比如流操作符 `<<` 和 `>>` 的重载，通常会返回一个引用，以便实现链式调用（`std::cout << "Hello" << " World" << std::endl;`）。赋值运算符 `=` 也常常返回一个引用，以允许链式赋值（`a = b = c;`）。

5. 明确的语义： 当你看到一个函数参数是引用（`int&`）时，你立刻就知道这个函数可能会修改传入的参数，或者说它需要访问原始对象而不是一个拷贝。而看到一个指针参数（`int`），你可能需要进一步判断它是否会修改，以及它是否可能为空。引用传达了一种更强的“我就是这个东西”的信号。

为什么我们不能只用指针？或者为什么只用引用不够？

这就像问为什么我们既需要“门”，也需要“窗户”。它们都提供了进入或观察内部的方式，但使用场景和提供的能力不同。

指针提供了低层控制和动态性： 引用是“别名”，它总是指向一个已经存在的、有名字的变量。它不能指向一个地址，也不能指向“无处”。如果你需要处理动态分配的内存（生命周期由程序控制，而非变量的局部作用域），或者需要一个可以指向不同对象的变量，那么指针是不可或缺的。例如，实现一个链表节点，它的 `next` 指针需要指向下一个节点，或者在链表末尾时指向 `nullptr`。引用无法做到这一点，因为它必须初始化并且不能改变指向。

引用提供了安全和清晰的接口： 指针的灵活性带来了安全风险。引用通过强制初始化和禁止改变指向，将很多潜在的错误扼杀在摇篮里。它也让代码的意图更清晰，尤其是函数参数和返回值的设计。在很多情况下，当你只需要一个“访问现有对象的方式”，并且不希望出现空指针或者改变指向的意外时，引用是比指针更安全、更优雅的选择。

总结一下，C++引入引用是为了：

提高代码的安全性： 通过强制初始化和禁止改变指向，大大减少了空指针和野指针的风险。
简化语法，提升可读性： 引用提供了更自然、更直观的变量访问和函数参数传递方式。
实现特定的语言特性： 如运算符重载、函数返回值作为左值等。
明确函数接口的语义： 表明函数需要访问或修改原始对象。

指针和引用并非互相替代的关系，而是互补的。指针提供了底层的强大控制能力和动态管理能力，而引用则在一定程度上牺牲了部分低层控制，换取了更高的安全性和更清晰的语义。理解它们的区别和适用场景，是写出健壮、高效、易读的C++代码的关键。

网友意见

引用本质上是指针的语法糖，在本质上没有任何区别。

至于说为什么要引入这个概念呢？

分几层：

最直接的原因是为了运算符重载。因为地址类型本身已经有了很多运算定义（+/-/[]之类的），所以，为了不引起歧义，运算符重载只能作用在类实例上，那么就势必要在值语义中引入一个新的类似“指针”的概念——这就是引用。

然后，为什么非要引入运算符重载呢？主要是这样就能在代码形式上，使得类和内置类型能够使用同样形式的代码。

再接着，为什么代码形式一致那么重要呢？除了审美洁癖外，最重要的一个原因是C++的一个非常重要的东西：模板。如果没有这种代码形式的一致性，那么我们写模板，都要为类和POD类型重复特化两遍，这就非常扯淡了。

所以，很多概念，其实是一个大的体系中的一环，单独拆开来看，似乎没什么大意思。要评价它们，需要放回到整个体系中才能看得出来。

这个问题的补充说明让我不禁怀疑提问者写的C++代码行数是不是可以用手指头数出来。

一、少一次判空

       #include <stddef.h>  void f(int & x, int i) {     x = i; }  void g(int * p, int i) {     if (p == NULL) {         return;     }     *p = i; }      

引用天然含有非空的语义，不需要额外做非空判断。

传指针的话，如果不信任传入的参数，则必须要做非空判断，否则一旦调用方误传空值进来，鬼知道程序接下来会有什么行为。

如果选择信任传入的参数，则调用方与被调用方必须做好约定，比如写好文档。但是又有谁来检查呢？靠人？显然靠不住。靠静态检查？它只能查点简单的，对于有弯弯绕绕的也查不出来。

一些编译器有私货可以标注参数绝对非空，但是这种引入非标准写法的做法也是下下策。

       #include <stddef.h>  __attribute__((nonnull(1))) void g(int * p, int i) {     *p = i; }  void test() {     g(NULL, 0); }      

况且，这种检查是软性的，即便你直接传 NULL，也没人拦着你 ——

还有稍不注意，遇上这种马虎的情况，一个警告也不会有 ——

       #include <stddef.h>  __attribute__((nonnull(1))) void g(int * p, int i) {     *p = i; }  void test(int * p) {     // p 有可能为空?     g(p, 0); }      

所以遇上绝不可能为空的场景，还不如使用引用，彻底断绝掉隐患。

二、指针降维

       #include <stdio.h> #include <string.h>  void cmp_and_swap_ref(char * & p1, char * & p2) {     if (strcmp(p1, p2) > 0) {         char * t = p1;         p1 = p2;         p2 = t;     } }  void cmp_and_swap_ptr(char ** p1, char ** p2) {     if (strcmp(*p1, *p2) > 0) {         char * t = *p1;         *p1 = *p2;         *p2 = t;     } }  int main() {     char c1[] = "xyz";     char c2[] = "abc";      char * p1 = c1;     char * p2 = c2;          cmp_and_swap_ref(p1, p2);     // cmp_and_swap_ptr(&p1, &p2);      printf("%s
%s
", p1, p2); }      

这种二级指针的代码拿给小白直接爆炸。

而通过引用，原作用域中该怎么用，在函数中还是怎么用，不需要多考虑要不要取址，要不要解引用的问题。

严蔚敏的《数据结构》书中自定义了一个四不像的所谓的 ”C 语言的超集语言“ ，其实就是一个允许使用引用的 C，一个不带其他任何高级语法的 C++。

这么搞就是为了照顾到不少新生才迷迷糊糊地学完 C，连指针都还没搞懂，就又不得开始学下一门《数据结构》。

C 的基础都没打牢，他根本就理解不了通过指针去修改函数外部变量的写法。

三、折叠表达式

1) 使用引用，代码书写符合人类的直觉 ——

       struct Foo {     char c[100];      Foo(); };  Foo f(const Foo &); Foo g(const Foo &); void h(const Foo &);  int main() {     h(g(f(Foo{}))); }      

生成的汇编十分简洁，只有 22 行 ——

2) 不让用引用的话，也不是不可以写折叠式，比如可以使用值传递 ——

       struct Foo {     char c[100];      Foo(); };   Foo f(Foo); Foo g(Foo); void h(Foo);  int main() {     h(g(f(Foo{}))); }      

但这种写法有重复的对象拷贝，极度拖慢速度 ——

3) 那为了节省拷贝开销，就只能改成传址，先试试这种写法行不行 ——

       struct Foo {     char c[100];      Foo(); };   Foo f(Foo*); Foo g(Foo*); void h(Foo*);  int main() {     Foo foo;     h(&g(&f(&foo))); }      

十分不好意思，右值是不可以取址的，所以上面的这种写法是不可行的。

4) 那么既然要求性能，就得放弃书写的直观性和美观性。使用传址的写法，一堆具名的临时变量，奇丑无比。

       struct Foo {     char c[100];      Foo(); };   Foo f(Foo*); Foo g(Foo*); void h(Foo*);  int main() {     Foo foo;     Foo tmp1 = f(&foo);     Foo tmp2 = g(&tmp1);     h(&tmp2); }      

放弃直观性美观性，带来的性能维度的收益仅仅只是和引用的写法持平 ——

5) 对于 C 写久了的老顽固，当然没听说过什么 RVO 优化，断然不可能同意 4) 这种直接返回大对象的做法，必然会要求必须使用指针传出返回值。

       struct Foo {     char c[100];      Foo(); };  void f(Foo* ret, Foo* in); void g(Foo* ret, Foo* in); void h(Foo* in);  int main() {     Foo foo;     Foo tmp1;     f(&tmp1, &foo);     Foo tmp2;     g(&tmp2, &tmp1);     h(&tmp2); }      

结果是不但书写上又臭又长，性能上又还打不过 ——

四、链式调用

       struct Foo {     Foo& doX()     {         return *this;     }      Foo& doY()     {         return *this;     }      Foo& doZ()     {         return *this;     } };  int main() {     Foo foo;     foo.doX()        .doY()        .doZ(); }      

有些设计模式中会用到这种返回自身的引用。

比如 boost.assign 早年实现的初始化列表 （std::initializer_list 的直接灵感来源）

       #include <boost/assign/list_of.hpp> // for 'list_of()' #include <boost/assert.hpp>  #include <list>  using namespace std; using namespace boost::assign; // bring 'list_of()' into scope  int main() {     const list<int> primes = list_of(2)(3)(5)(7)(11);     BOOST_ASSERT( primes.size() == 5 );     BOOST_ASSERT( primes.back() == 11 );     BOOST_ASSERT( primes.front() == 2 ); }       

五、填补上了 C 中很多概念上的空白

       int a[5]; a[0] = 4;  int * p = a; *p = 6;      

类似于a[0] , *p 这样的操作，其结果究竟是什么？

int？

如果果真结果只是一个简简单单的 int，那为什么如下的写法不行？

       int at(int a[], int n) {     return a[n]; }  void test() {     int a[5];     at(a, 0) = 2; // FAILURE }      

       typedef struct Node {     Node * next;     int i; } Node, *List;  int at(Node * p, int n) {     while (n--) {         p = p->next;     }     return p->i; }  void test(List l) {     at(l, 3) = 0; // FAILURE }      

如果我确实需要自然地封装一个复杂的访问逻辑，只能通过宏么？

（或者就只有丑陋的指针 *at(l, 3) = 0）

这些问题是 [ ] * 等运算符能被用来重载的基础。

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