c++ elenco comandi - Quali sono le differenze tra una variabile puntatore e una variabile di riferimento in C ++?





15 Answers

Cos'è un riferimento C ++ ( per i programmatori C )

Un riferimento può essere pensato come un puntatore costante (da non confondere con un puntatore a un valore costante!) Con l'indirezione automatica, cioè il compilatore applicherà l'operatore * per te.

Tutti i riferimenti devono essere inizializzati con un valore non nullo o la compilazione avrà esito negativo. Non è possibile ottenere l'indirizzo di un riferimento - l'operatore di indirizzo restituirà invece l'indirizzo del valore di riferimento - né è possibile fare aritmetica sui riferimenti.

I programmatori C potrebbero non gradire i riferimenti C ++ in quanto non saranno più ovvi quando si verifica indiretta o se un argomento viene passato per valore o per puntatore senza guardare le firme delle funzioni.

Ai programmatori C ++ potrebbe non piacere usare i puntatori perché sono considerati non sicuri - sebbene i riferimenti non siano realmente più sicuri dei puntatori costanti tranne nei casi più banali - mancano della convenienza dell'indirizzamento automatico e portano una diversa connotazione semantica.

Considera la seguente dichiarazione dalle FAQ del C ++ :

Anche se un riferimento viene spesso implementato utilizzando un indirizzo nella lingua dell'assembly sottostante, non pensare a un riferimento come a un puntatore dall'aspetto divertente a un oggetto. Un riferimento è l'oggetto. Non è un puntatore all'oggetto, né una copia dell'oggetto. È l'oggetto

Ma se un riferimento fosse davvero l'oggetto, come potrebbero esserci riferimenti ciondolanti? Nei linguaggi non gestiti, è impossibile che i riferimenti siano "più sicuri" dei puntatori: in genere non è un modo per fare in modo affidabile l'alias dei valori attraverso i limiti del campo di applicazione!

Perché considero utili i riferimenti C ++

Provenienti da uno sfondo C, i riferimenti C ++ possono sembrare un concetto un po 'sciocco, ma dovremmo comunque usarli al posto dei puntatori laddove possibile: l'indirezione automatica è conveniente e i riferimenti diventano particolarmente utili quando si ha a che fare con RAII - ma non a causa di alcuna sicurezza percepita vantaggio, ma piuttosto perché rendono la scrittura del codice idiomatico meno imbarazzante.

RAII è uno dei concetti centrali del C ++, ma interagisce in modo non banale con la semantica della copia. Passare gli oggetti per riferimento evita questi problemi poiché non è coinvolta alcuna copia. Se i riferimenti non fossero presenti nella lingua, dovresti invece usare dei puntatori, che sono più complicati da usare, violando così il principio del linguaggio design che la soluzione delle migliori pratiche dovrebbe essere più semplice delle alternative.

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So che i riferimenti sono zucchero sintattico, quindi il codice è più facile da leggere e scrivere.

Ma quali sono le differenze?

Riepilogo delle risposte e dei collegamenti seguenti:

  1. Un puntatore può essere riassegnato qualsiasi numero di volte mentre un riferimento non può essere riassegnato dopo l'associazione.
  2. I puntatori non possono puntare da nessuna parte ( NULL ), mentre un riferimento fa sempre riferimento a un oggetto.
  3. Non puoi prendere l'indirizzo di un riferimento come puoi con i puntatori.
  4. Non c'è "aritmetica di riferimento" (ma puoi prendere l'indirizzo di un oggetto puntato da un riferimento e fare l'aritmetica del puntatore su di esso come in &obj + 5 ).

Per chiarire un equivoco:

Lo standard C ++ è molto attento a evitare di dettare come un compilatore può implementare riferimenti, ma ogni compilatore C ++ implementa riferimenti come puntatori. Cioè, una dichiarazione come:

int &ri = i;

se non è ottimizzato completamente , assegna la stessa quantità di memoria di un puntatore e inserisce l'indirizzo di i in tale archivio.

Quindi, un puntatore e un riferimento utilizzano entrambi la stessa quantità di memoria.

Come regola generale,

  • Utilizzare i riferimenti nei parametri di funzione e nei tipi restituiti per fornire interfacce utili e autodocumentanti.
  • Utilizzare i puntatori per l'implementazione di algoritmi e strutture dati.

Lettura interessante:




Contrariamente all'opinione comune, è possibile avere un riferimento che è NULL.

int * p = NULL;
int & r = *p;
r = 1;  // crash! (if you're lucky)

Certo, è molto più difficile da fare con un riferimento - ma se lo gestisci, ti strapperai i capelli cercando di trovarlo. I riferimenti non sono intrinsecamente sicuri in C ++!

Tecnicamente questo è un riferimento non valido , non un riferimento null. Il C ++ non supporta i riferimenti null come concetto che potresti trovare in altre lingue. Esistono anche altri tipi di riferimenti non validi. Qualsiasi riferimento non valido solleva lo spettro del comportamento non definito , proprio come farebbe con un puntatore non valido.

L'errore effettivo è nel dereferenziamento del puntatore NULL, prima dell'assegnazione a un riferimento. Ma non sono a conoscenza di alcun compilatore che genererà errori su tale condizione - l'errore si propagherà in un punto più avanti nel codice. Questo è ciò che rende questo problema così insidioso. La maggior parte delle volte, se si denota un puntatore NULL, si blocca proprio in quel punto e non ci vuole molto a fare il debug per capirlo.

Il mio esempio sopra è breve e forzato. Ecco un esempio più realistico.

class MyClass
{
    ...
    virtual void DoSomething(int,int,int,int,int);
};

void Foo(const MyClass & bar)
{
    ...
    bar.DoSomething(i1,i2,i3,i4,i5);  // crash occurs here due to memory access violation - obvious why?
}

MyClass * GetInstance()
{
    if (somecondition)
        return NULL;
    ...
}

MyClass * p = GetInstance();
Foo(*p);

Voglio ribadire che l'unico modo per ottenere un riferimento null è attraverso il codice non valido e, una volta ottenuto, si ottiene un comportamento indefinito. Non ha mai senso verificare un riferimento null; per esempio puoi provare if(&bar==NULL)... ma il compilatore potrebbe ottimizzare l'affermazione fuori dall'esistenza! Un riferimento valido non può mai essere NULL, quindi dal punto di vista del compilatore il confronto è sempre falso ed è libero di eliminare la clausola if come dead code - questa è l'essenza del comportamento non definito.

Il modo corretto per evitare problemi consiste nell'evitare il dereferenziamento di un puntatore NULL per creare un riferimento. Ecco un modo automatico per realizzare questo.

template<typename T>
T& deref(T* p)
{
    if (p == NULL)
        throw std::invalid_argument(std::string("NULL reference"));
    return *p;
}

MyClass * p = GetInstance();
Foo(deref(p));

Per uno sguardo più vecchio a questo problema da qualcuno con migliori capacità di scrittura, vedi Null References di Jim Hyslop e Herb Sutter.

Per un altro esempio dei pericoli del dereferenziamento, un puntatore nullo può vedere Esporre un comportamento indefinito quando si tenta di portare il codice su un'altra piattaforma di Raymond Chen.




A parte lo zucchero sintattico, un riferimento è un puntatore const ( non un puntatore a un const ). È necessario stabilire a cosa si riferisce quando si dichiara la variabile di riferimento e non è possibile modificarla in seguito.

Aggiornamento: ora che ci penso un po 'di più, c'è una differenza importante.

Il bersaglio di un puntatore const può essere sostituito prendendo il suo indirizzo e usando un cast const.

L'obiettivo di un riferimento non può essere sostituito in alcun modo a corto di UB.

Questo dovrebbe permettere al compilatore di fare più ottimizzazione su un riferimento.




I riferimenti sono molto simili ai puntatori, ma sono creati appositamente per essere utili all'ottimizzazione dei compilatori.

  • I riferimenti sono progettati in modo tale che è sostanzialmente più semplice per il compilatore tracciare quali alias di riferimento quali variabili. Due importanti caratteristiche sono molto importanti: nessuna "aritmetica di riferimento" e nessuna riassegnazione di riferimenti. Questi permettono al compilatore di capire quali riferimenti alias quali variabili in fase di compilazione.
  • I riferimenti possono riferirsi a variabili che non hanno indirizzi di memoria, come quelli che il compilatore sceglie di inserire nei registri. Se si prende l'indirizzo di una variabile locale, è molto difficile per il compilatore inserirlo in un registro.

Come esempio:

void maybeModify(int& x); // may modify x in some way

void hurtTheCompilersOptimizer(short size, int array[])
{
    // This function is designed to do something particularly troublesome
    // for optimizers. It will constantly call maybeModify on array[0] while
    // adding array[1] to array[2]..array[size-1]. There's no real reason to
    // do this, other than to demonstrate the power of references.
    for (int i = 2; i < (int)size; i++) {
        maybeModify(array[0]);
        array[i] += array[1];
    }
}

Un compilatore ottimizzante potrebbe rendersi conto che stiamo accedendo a [0] e a [1] un bel po '. Mi piacerebbe ottimizzare l'algoritmo per:

void hurtTheCompilersOptimizer(short size, int array[])
{
    // Do the same thing as above, but instead of accessing array[1]
    // all the time, access it once and store the result in a register,
    // which is much faster to do arithmetic with.
    register int a0 = a[0];
    register int a1 = a[1]; // access a[1] once
    for (int i = 2; i < (int)size; i++) {
        maybeModify(a0); // Give maybeModify a reference to a register
        array[i] += a1;  // Use the saved register value over and over
    }
    a[0] = a0; // Store the modified a[0] back into the array
}

Per fare una tale ottimizzazione, è necessario dimostrare che nulla può cambiare array [1] durante la chiamata. Questo è piuttosto facile da fare. non è mai inferiore a 2, quindi array [i] non può mai fare riferimento a array [1]. mayModify () è dato a0 come riferimento (aliasing array [0]). Poiché non esiste un'aritmetica di "riferimento", il compilatore deve solo dimostrare che forse Modify non ottiene mai l'indirizzo di x, e ha dimostrato che nulla cambia array [1].

Deve anche dimostrare che non ci sono modi in cui una chiamata futura potrebbe leggere / scrivere un [0] mentre abbiamo una copia temporanea del registro in a0. Questo è spesso banale da dimostrare, perché in molti casi è ovvio che il riferimento non è mai memorizzato in una struttura permanente come un'istanza di classe.

Ora fai la stessa cosa con i puntatori

void maybeModify(int* x); // May modify x in some way

void hurtTheCompilersOptimizer(short size, int array[])
{
    // Same operation, only now with pointers, making the
    // optimization trickier.
    for (int i = 2; i < (int)size; i++) {
        maybeModify(&(array[0]));
        array[i] += array[1];
    }
}

Il comportamento è lo stesso; solo ora è molto più difficile dimostrare che forse Modify non modifica mai l'array [1], perché gli abbiamo già dato un puntatore; il gatto è fuori dalla borsa. Ora deve fare la prova molto più difficile: un'analisi statica di forseModify per dimostrare che non scrive mai in & x + 1. Deve anche dimostrare che non salva mai un puntatore che può riferirsi all'array [0], che è solo così difficile.

I compilatori moderni stanno migliorando sempre di più nell'analisi statica, ma è sempre bello aiutarli e utilizzare i riferimenti.

Ovviamente, escludendo tali intelligenti ottimizzazioni, i compilatori trasformeranno effettivamente i riferimenti in puntatori quando necessario.

EDIT: Cinque anni dopo aver postato questa risposta, ho trovato una differenza tecnica effettiva in cui i riferimenti sono diversi rispetto a un modo diverso di guardare lo stesso concetto di indirizzamento. I riferimenti possono modificare la durata di vita degli oggetti temporanei in un modo che i puntatori non possono.

F createF(int argument);

void extending()
{
    const F& ref = createF(5);
    std::cout << ref.getArgument() << std::endl;
};

Normalmente oggetti temporanei come quello creato dalla chiamata a createF(5) vengono distrutti alla fine dell'espressione. Tuttavia, legando tale oggetto a un riferimento, ref , il C ++ estenderà la durata di vita di quell'oggetto temporaneo fino a quando il riferimento non esce dall'ambito.




Mentre sia i riferimenti che i puntatori vengono utilizzati per accedere indirettamente a un altro valore, esistono due importanti differenze tra riferimenti e puntatori. Il primo è che un riferimento fa sempre riferimento a un oggetto: è un errore definire un riferimento senza inizializzarlo. Il comportamento dell'assegnazione è la seconda importante differenza: l'assegnazione a un riferimento modifica l'oggetto a cui è associato il riferimento; non ricollega il riferimento a un altro oggetto. Una volta inizializzato, un riferimento si riferisce sempre allo stesso oggetto sottostante.

Considera questi due frammenti di programma. Nel primo, assegniamo un puntatore a un altro:

int ival = 1024, ival2 = 2048;
int *pi = &ival, *pi2 = &ival2;
pi = pi2;    // pi now points to ival2

Dopo l'assegnazione, ival, l'oggetto indirizzato da pi rimane invariato. L'assegnazione cambia il valore di pi, facendo in modo che punti a un oggetto diverso. Ora considera un programma simile che assegna due riferimenti:

int &ri = ival, &ri2 = ival2;
ri = ri2;    // assigns ival2 to ival

Questo incarico cambia ival, il valore riferito da ri e non il riferimento stesso. Dopo l'assegnazione, i due riferimenti si riferiscono ancora ai loro oggetti originali e il valore di tali oggetti ora è lo stesso.




Un riferimento è un alias per un'altra variabile mentre un puntatore contiene l'indirizzo di memoria di una variabile. I riferimenti vengono generalmente utilizzati come parametri di funzione in modo che l'oggetto passato non sia la copia ma l'oggetto stesso.

    void fun(int &a, int &b); // A common usage of references.
    int a = 0;
    int &b = a; // b is an alias for a. Not so common to use. 



Questo è basato sul tutorial . Ciò che è scritto lo rende più chiaro:

>>> The address that locates a variable within memory is
    what we call a reference to that variable. (5th paragraph at page 63)

>>> The variable that stores the reference to another
    variable is what we call a pointer. (3rd paragraph at page 64)

Semplicemente ricordarlo,

>>> reference stands for memory location
>>> pointer is a reference container (Maybe because we will use it for
several times, it is better to remember that reference.)

Inoltre, poiché possiamo fare riferimento a quasi tutti i tutorial sui puntatori, un puntatore è un oggetto supportato dall'aritmetica del puntatore che rende il puntatore simile a un array.

Guarda la seguente dichiarazione,

int Tom(0);
int & alias_Tom = Tom;

alias_Tompuò essere inteso come un alias of a variable(diverso con typedef, che è alias of a type) Tom. Va anche bene dimenticare che la terminologia di tale affermazione è di creare un riferimento a Tom.




Un riferimento a un puntatore è possibile in C ++, ma il contrario non è possibile significa che un puntatore a un riferimento non è possibile. Un riferimento a un puntatore fornisce una sintassi più pulita per modificare il puntatore. Guarda questo esempio:

#include<iostream>
using namespace std;

void swap(char * &str1, char * &str2)
{
  char *temp = str1;
  str1 = str2;
  str2 = temp;
}

int main()
{
  char *str1 = "Hi";
  char *str2 = "Hello";
  swap(str1, str2);
  cout<<"str1 is "<<str1<<endl;
  cout<<"str2 is "<<str2<<endl;
  return 0;
}

E considera la versione C del programma di cui sopra. In C devi usare il puntatore al puntatore (più indiretto), e questo porta a confusione e il programma potrebbe sembrare complicato.

#include<stdio.h>
/* Swaps strings by swapping pointers */
void swap1(char **str1_ptr, char **str2_ptr)
{
  char *temp = *str1_ptr;
  *str1_ptr = *str2_ptr;
  *str2_ptr = temp;
}

int main()
{
  char *str1 = "Hi";
  char *str2 = "Hello";
  swap1(&str1, &str2);
  printf("str1 is %s, str2 is %s", str1, str2);
  return 0;
}

Visita il seguente per ulteriori informazioni sul riferimento al puntatore:

Come ho detto, un puntatore a un riferimento non è possibile. Prova il seguente programma:

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
   int x = 10;
   int *ptr = &x;
   int &*ptr1 = ptr;
}



Uso i riferimenti a meno che non abbia bisogno di uno di questi:

  • I puntatori nulli possono essere utilizzati come valore sentinella, spesso un modo economico per evitare il sovraccarico di funzioni o l'uso di un bool.

  • Puoi fare aritmetica su un puntatore. Per esempio,p += offset;




Un'altra differenza è che puoi avere dei puntatori a un tipo di vuoto (e significa puntatore a qualsiasi cosa) ma i riferimenti al vuoto sono proibiti.

int a;
void * p = &a; // ok
void & p = a;  //  forbidden

Non posso dire di essere davvero contento di questa particolare differenza. Preferirei molto che fosse permesso con il riferimento di significato a qualsiasi cosa con un indirizzo e altrimenti lo stesso comportamento per i riferimenti. Permetterebbe di definire alcuni equivalenti delle funzioni della libreria C come memcpy usando i riferimenti.




Inoltre, un riferimento che è un parametro di una funzione che è inline può essere gestito in modo diverso rispetto a un puntatore.

void increment(int *ptrint) { (*ptrint)++; }
void increment(int &refint) { refint++; }
void incptrtest()
{
    int testptr=0;
    increment(&testptr);
}
void increftest()
{
    int testref=0;
    increment(testref);
}

Molti compilatori quando si incorpora la versione puntatore uno imporrà effettivamente una scrittura in memoria (stiamo prendendo esplicitamente l'indirizzo). Tuttavia, lasceranno il riferimento in un registro che è più ottimale.

Ovviamente, per le funzioni che non sono in linea, il puntatore e il riferimento generano lo stesso codice ed è sempre meglio passare i valori intrinseci in base al valore anziché mediante riferimento se non vengono modificati e restituiti dalla funzione.




Un altro uso interessante dei riferimenti è fornire un argomento predefinito di un tipo definito dall'utente:

class UDT
{
public:
   UDT() : val_d(33) {};
   UDT(int val) : val_d(val) {};
   virtual ~UDT() {};
private:
   int val_d;
};

class UDT_Derived : public UDT
{
public:
   UDT_Derived() : UDT() {};
   virtual ~UDT_Derived() {};
};

class Behavior
{
public:
   Behavior(
      const UDT &udt = UDT()
   )  {};
};

int main()
{
   Behavior b; // take default

   UDT u(88);
   Behavior c(u);

   UDT_Derived ud;
   Behavior d(ud);

   return 1;
}

L'aroma di default usa l'aspetto 'bind const riferimento a temporaneo' dei riferimenti.




Forse alcune metafore aiuteranno; Nel contesto dello schermo del desktop -

  • Un riferimento richiede di specificare una finestra effettiva.
  • Un puntatore richiede la posizione di un pezzo di spazio sullo schermo che assicuri che conterrà zero o più istanze di quel tipo di finestra.



La differenza è che la variabile puntatore non costante (da non confondere con un puntatore a costante) può essere modificata in qualche momento durante l'esecuzione del programma, richiede la semantica del puntatore da utilizzare (&, *) operatori, mentre i riferimenti possono essere impostati al momento dell'inizializzazione solo (è per questo che è possibile impostarli solo nella lista di inizializzazione del costruttore, ma non in qualcos'altro) e utilizzare la semantica di accesso al valore ordinario. Fondamentalmente sono stati introdotti riferimenti per consentire il supporto per il sovraccarico degli operatori, come avevo letto in un libro molto vecchio. Come qualcuno ha affermato in questo thread - il puntatore può essere impostato su 0 o qualsiasi valore tu voglia. 0 (NULL, nullptr) significa che il puntatore è inizializzato con nulla. È un errore di dereferenziare il puntatore nullo. Ma in realtà il puntatore potrebbe contenere un valore che non punta ad una corretta posizione di memoria.I riferimenti a loro volta non tentano di consentire a un utente di inizializzare un riferimento a qualcosa che non può essere referenziato a causa del fatto che si fornisce sempre un valore di tipo corretto ad esso. Sebbene ci siano molti modi per rendere inizializzata la variabile di riferimento in una posizione di memoria errata, è meglio non scavare in profondità nei dettagli. A livello macchina sia il puntatore che il riferimento lavorano uniformemente, tramite puntatori. Diciamo che i riferimenti essenziali sono lo zucchero sintattico. i riferimenti rvalue sono diversi da questo: sono naturalmente oggetti stack / heap.Sebbene ci siano molti modi per rendere inizializzata la variabile di riferimento in una posizione di memoria errata, è meglio non scavare in profondità nei dettagli. A livello macchina sia il puntatore che il riferimento lavorano uniformemente, tramite puntatori. Diciamo che i riferimenti essenziali sono lo zucchero sintattico. i riferimenti rvalue sono diversi da questo: sono naturalmente oggetti stack / heap.Sebbene ci siano molti modi per rendere inizializzata la variabile di riferimento in una posizione di memoria errata, è meglio non scavare in profondità nei dettagli. A livello macchina sia il puntatore che il riferimento lavorano uniformemente, tramite puntatori. Diciamo che i riferimenti essenziali sono lo zucchero sintattico. i riferimenti rvalue sono diversi da questo: sono naturalmente oggetti stack / heap.




Decido sempre con this regola dalle linee guida del C ++:

Preferisci T * su T & quando "nessun argomento" è un'opzione valida






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