11. 指针与引用——编程世界的“魔法钥匙”

11.1 指针的基本概念

在 C++ 里，指针是一种特殊的变量，它存储的不是普通的数据值，而是内存地址。可以把指针想象成一把“钥匙”，这把“钥匙”指向内存中的某个特定位置，通过这把“钥匙”就能访问该位置存储的数据。

指针的定义和初始化 定义指针的基本语法为：数据类型* 指针变量名; 。下面是一个简单示例：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int num = 10;
    // 定义一个指向 int 类型的指针
    int* ptr;
    // 让指针指向 num 的地址
    ptr = &num;
    return 0;
}

在这个程序中，& 是取地址运算符，&num 表示获取变量 num 的内存地址，然后把这个地址赋值给指针 ptr。

通过指针访问数据 使用解引用运算符 * 可以通过指针访问其所指向的数据。示例如下：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int num = 10;
    int* ptr = &num;
    // 通过指针访问 num 的值
    cout << "num 的值是: " << *ptr << endl;
    return 0;
}

这里的 *ptr 表示访问 ptr 所指向的内存位置存储的值。

11.2 指针与数组

数组名在很多情况下可以看作是指向数组首元素的指针。例如：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    // 数组名 arr 可看作指向数组首元素的指针
    int* ptr = arr;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        // 通过指针访问数组元素
        cout << *(ptr + i) << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

在这个程序中，arr 是数组名，它相当于指向数组第一个元素 arr[0] 的指针。ptr + i 表示指针向后移动 i 个位置，*(ptr + i) 则访问移动后指针所指向的元素。

11.3 指针与函数

指针可以作为函数的参数，这样在函数内部就可以修改实参的值，实现数据的双向传递。

示例代码：使用指针交换两个整数的值

#include <iostream>
using namespace std;

// 函数：使用指针交换两个整数的值
void swap(int* a, int* b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int main() {
    int num1 = 3, num2 = 5;
    cout << "交换前: num1 = " << num1 << ", num2 = " << num2 << endl;
    swap(&num1, &num2);
    cout << "交换后: num1 = " << num1 << ", num2 = " << num2 << endl;
    return 0;
}

在这个程序中，swap 函数接受两个指向 int 类型的指针作为参数，通过指针修改了实参的值。

11.4 引用的基本概念

引用可以看作是变量的别名，它和所引用的变量共享同一块内存空间。定义引用的基本语法为：数据类型& 引用变量名 = 被引用的变量名; 。示例如下：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int num = 10;
    // 定义一个引用
    int& ref = num;
    cout << "num 的值是: " << num << endl;
    cout << "ref 的值是: " << ref << endl;
    // 修改引用的值，相当于修改原变量的值
    ref = 20;
    cout << "修改后 num 的值是: " << num << endl;
    return 0;
}

在这个程序中，ref 是 num 的引用，对 ref 的操作就相当于对 num 的操作。

11.5 引用作为函数参数

引用作为函数参数可以避免值传递带来的复制开销，同时也能实现数据的双向传递。

示例代码：使用引用交换两个整数的值

#include <iostream>
using namespace std;

// 函数：使用引用交换两个整数的值
void swap(int& a, int& b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

int main() {
    int num1 = 3, num2 = 5;
    cout << "交换前: num1 = " << num1 << ", num2 = " << num2 << endl;
    swap(num1, num2);
    cout << "交换后: num1 = " << num1 << ", num2 = " << num2 << endl;
    return 0;
}

在这个程序中，swap 函数接受两个引用作为参数，通过引用直接修改了实参的值。

11.6 指针和引用的区别

• 定义和初始化：指针需要使用 * 来定义，并且可以在定义后再赋值；而引用在定义时就必须初始化，并且一旦初始化就不能再引用其他变量。
• 内存占用：指针本身占用一定的内存空间，用于存储内存地址；而引用只是变量的别名，不额外占用内存空间。
• 使用方式：指针可以进行算术运算，如指针的加减操作；而引用主要用于简化变量的使用，不支持指针的算术运算。

11.7 课后小练习

1. 编写一个函数，使用指针遍历数组并计算数组元素的总和。
2. 编写一个函数，接受一个引用作为参数，将该引用所引用的变量的值翻倍。

通过这部分的学习，你了解了指针和引用的基本概念、它们与数组和函数的关系，以及它们之间的区别。指针和引用是 C++ 中非常强大的工具，能帮助你更灵活地操作内存和实现高效的程序。