嵌入式软件工程师面经C/C++篇—指针与引用：从本质到应用

​ 一、核心概念：一句话区分

• 指针 (Pointer)：一个存储内存地址的变量。可以把它想象成一张写着房子地址的纸条。这张纸条本身是一个实体，你可以拿着它去查地址，也可以把它撕掉换成另一张写着别的房子地址的纸条。
• 引用 (Reference)：一个已存在变量的别名。可以把它想象成房子的 **“昵称” 或 “别名”**。比如 “我的家”、“XX 小区 B 栋 302” 指的都是同一套房子。“昵称” 本身不是一个实体，它和房子是绑定在一起的。

二、核心区别详解（附代码示例）

下面我们从 7 个维度，用 “房子” 的比喻和代码示例来详细对比。

1. 本质与内存

• 指针：是一个独立的变量，它有自己的内存空间，里面存放的是另一个变量的地址。 比喻：“纸条” 本身是一个实体，它占用一定的空间（比如一张小纸片）。
• 引用：不是一个独立的变量，它没有自己的内存空间，它只是一个已存在变量的别名。编译器在底层可能会用指针来实现引用，但这对程序员是透明的。 比喻：“昵称” 本身不占用物理空间，它只是一个称呼。

2. 初始化

• 指针：可以不初始化（会成为野指针，非常危险），也可以初始化为 nullptr（空指针），或者指向一个已存在的变量。 比喻：你可以有一张空白的纸条（野指针），一张写着 “无” 的纸条（空指针），或者一张写着具体地址的纸条。
• 引用：必须在定义时初始化，并且必须绑定到一个已存在的变量上。不能有 “空引用” 或 “野引用”。 比喻：你不能凭空给一个不存在的东西起昵称。必须先有 “房子”，才能给它起 “我的家” 这个昵称。

3. 可变性（是否能更改指向）

• 指针：可以更改指向，让它指向另一个变量。 比喻：你可以擦掉纸条上的旧地址，写上一个新的地址，这样它就指向另一套房子了。
• 引用：一旦初始化，就不能更改绑定，它会一生一世地绑定在最初的那个变量上。 比喻：“我的家” 这个昵称一旦给定，就不能再被用来指代邻居家的房子。如果你给它赋值，那是修改房子里的内容，而不是更改昵称的指向。

4. 空值

• 指针：可以被赋值为 nullptr，表示它不指向任何有效的内存地址。 比喻：纸条上写着 “无地址”。
• 引用：不能为 nullptr。它必须始终指向一个有效的对象。 比喻：昵称必须指代一个真实存在的东西。

5. 解引用

• 指针：访问所指向变量的值时，必须使用解引用运算符 *。 比喻：你需要根据纸条上的地址，去找到那套房子，才能看到里面的东西。
• 引用：使用时无需解引用，直接使用引用的名字就相当于访问了原变量。 比喻：你说 “去我的家”，大家都知道是去哪，不需要先查地址再去。

6. sizeof 运算符

• 指针：sizeof(指针) 返回的是指针变量本身的大小（在 32 位系统上通常是 4 字节，在 64 位系统上是 8 字节）。 比喻：测量的是 “纸条” 本身的大小。
• 引用：sizeof(引用) 返回的是被引用变量的大小。 比喻：通过 “昵称” 去测量，得到的是 “房子” 的大小。

7. 自增 / 自减运算

• 指针：指针++ 表示指针地址增加一个类型的大小，即指针移动到下一个相邻的元素。 比喻：从 “XX 路 1 号” 的地址，移动到 “XX 路 3 号”（假设是整数类型，步长为 2）。
• 引用：引用++ 表示被引用的变量的值增加 1。 比喻：“我的家” 里的人数增加了 1。

三、代码示例：直观感受区别

#include <iostream>

int main() {
    int house_A_value = 100; // 房子A，价值100
    int house_B_value = 200; // 房子B，价值200

    // --- 1. 定义与初始化 ---
    int* ptr = &house_A_value; // 指针ptr，指向房子A的地址
    int& ref = house_A_value;  // 引用ref，是房子A的别名

    // --- 2. 访问与修改 ---
    std::cout << "通过指针访问 house_A: " << *ptr << std::endl; // 需要解引用*
    std::cout << "通过引用访问 house_A: " << ref << std::endl;  // 直接访问

    *ptr = 150; // 通过指针修改房子A的价值
    std::cout << "修改后 house_A 的价值: " << house_A_value << std::endl; // 150

    ref = 200; // 通过引用修改房子A的价值
    std::cout << "再次修改后 house_A 的价值: " << house_A_value << std::endl; // 200

    // --- 3. 更改指向 (指针可以，引用不行) ---
    ptr = &house_B_value; // 指针ptr现在指向房子B
    std::cout << "指针现在指向 house_B 的价值: " << *ptr << std::endl; // 200

    // ref = house_B_value; // 这不是更改引用的指向！
    // 这等价于 house_A_value = house_B_value;
    // std::cout << "引用现在指向 house_B 的价值: " << ref << std::endl; // 200 (但ref仍然是house_A的别名)
    // std::cout << "house_A 的价值被意外修改: " << house_A_value << std::endl; // 200

    // --- 4. sizeof 对比 ---
    std::cout << "sizeof(ptr) (指针大小): " << sizeof(ptr) << std::endl; // 8 (在64位系统)
    std::cout << "sizeof(ref) (被引用对象大小): " << sizeof(ref) << std::endl; // 4 (int的大小)

    return 0;
}

四、如何相互转换？

指针和引用之间可以进行转换，但需要遵循一定的规则。

1. 指针 -> 引用

方法：对指针进行解引用 (*)，就可以得到它所指向的对象，这个对象可以直接用来初始化一个引用。

注意：转换的前提是指针不能为 nullptr，否则会导致未定义行为（通常是程序崩溃）。

#include <iostream>

void print_value(int& val_ref) {
    std::cout << "Received value: " << val_ref << std::endl;
}

int main() {
    int a = 10;
    int* p = &a; // 指针p指向a

    // 指针转引用
    int& r = *p; // 对指针p解引用，得到对象a，用a初始化引用r

    r = 20; // 通过引用r修改a的值
    std::cout << "a is now: " << a << std::endl; // 输出 20

    // 在函数调用中非常常见
    print_value(*p); // 直接将解引用后的指针作为引用参数传递
}

2. 引用 -> 指针

方法：对引用进行取地址 (&)，就可以得到它所绑定变量的地址，这个地址可以赋给一个指针。

#include <iostream>

int main() {
    int a = 10;
    int& r = a; // 引用r是a的别名

    // 引用转指针
    int* p = &r; // 对引用r取地址，得到a的地址，赋给指针p

    *p = 20; // 通过指针p修改a的值
    std::cout << "a is now: " << a << std::endl; // 输出 20
    std::cout << "r is now: " << r << std::endl; // 输出 20
}

五、何时使用指针？何时使用引用？

• 优先使用引用的场景：作为函数参数： 当你需要修改实参，并且希望函数调用语法更简洁时。当你需要传递大型对象（如 std::string, std::vector）以避免昂贵的拷贝开销，同时又不希望修改它时，使用常量引用 const &。这是最常见、最安全的用法。作为函数返回值： 当函数返回一个容器内的元素或类的成员，且你希望调用者可以直接修改它时。警告：绝对不要返回一个函数内部局部变量的引用，因为函数结束后该变量的内存会被销毁，引用会变成 “悬挂引用”，导致未定义行为。
• 必须使用指针的场景：需要动态内存分配：使用 new 分配的内存，必须用指针来接收地址，并且最终需要用 delete 手动释放。（现代 C++ 推荐使用智能指针来管理动态内存）。需要表示 “空” 或 “无”：当一个变量在某些情况下可能不指向任何有效对象时，必须使用指针并将其设为 nullptr。引用无法做到这一点。需要更改指向：当你需要一个变量能在不同时间指向不同对象时（例如，遍历链表或树结构），必须使用指针。实现数据结构：像链表、树、图等复杂数据结构，其节点之间的连接关系必须通过指针来实现。

六、常见面试题解析

问题：指针和引用有什么区别？

回答：

• 指针是实体，存储地址；引用是别名，不占内存
• 指针可空可换指向；引用必须初始化且不可更改
• 指针需显式解引用；引用自动解引用
• sizeof (指针) 是地址大小；sizeof (引用) 是对象大小

问题：能返回函数内局部变量的引用吗？

回答：不能。函数返回后局部变量销毁，引用会悬空，访问会导致未定义行为。

问题：为什么有时用 const 引用传递参数？

回答：

• 避免大对象拷贝，提高效率
• 防止函数内部修改原始数据
• 可以接收临时对象

七、总结表格