C++面试11——指针与引用

在C++面试中，深刻理解指针与引用是考察候选人语言功底的关键。下面我将从核心区别、应用场景到面试真题，为你提供一个全面的解析。

为了让你快速建立起知识框架，下表总结了指针与引用最核心的区别。

特性	指针 (Pointer)	引用 (Reference)
本质	是一个实体变量，存储的是另一个变量的内存地址	是原变量的一个别名，与原变量是同一个东西
初始化	可以不初始化（但极度不推荐）	必须初始化
可空性	可以为`NULL`或`nullptr`	不能为空，必须总是指向一个有效的对象
重定向	初始化后，可以改变其指向的地址	初始化后，不能再改变其绑定的对象
内存操作	`sizeof(指针)` 得到的是指针本身的大小（如32位系统为4字节）	`sizeof(引用)` 得到的是所绑定对象的大小
自增(++)操作	指向下一个相邻同类型的内存地址	使所绑定对象的值增加1
内存分配	程序会为指针变量本身分配内存	引用不需要分配内存区域，它是已存在对象的别名
多级概念	支持多级指针，如`int **pp`（指向指针的指针）	只能是一级，`int &&r`是无效的（注：C++11中的`&&`表示右值引用，含义不同）

💡 核心机制与使用场景

理解表格中的区别后，我们来看看这些特性在实际编码中意味着什么。

初始化和安全性 ：引用必须初始化的特性，使其在定义时就与一个合法对象绑定，减少了出现"野指针"那样的未定义行为风险。使用引用作为函数参数时，你不需要像使用指针那样检查它是否为NULL，代码更简洁安全。
重定向与语义：指针可以重新指向的特性，使其在需要动态切换操作目标时非常有用（如遍历链表、动态数组）。而引用的不可变性则表达了"从一而终"的语义，常用于表示函数参数或返回值与某个已存在对象是同一实体。
操作符重载 ：在重载下标操作符[]时，必须返回引用。这是因为像v[5] = 10这样的语句，期望修改的是v[5]这个实际元素，如果返回的是指针，语句就要写成*v[5] = 10，这不符合直觉。

🔄 函数参数传递的差异

指针和引用都可用于按引用传递函数参数，但形式和效果不同。

指针传递 ：传递的是实参地址的副本（值传递）。在函数内部，你可以通过解引用操作符*来修改实参指向的值。但如果你修改指针本身的值（让它指向别处），这个改变不会反映到函数外部的实参指针上。
cpp 复制代码
```
void modifyByPointer(int *p) {
    *p = 100; // 修改了外部变量的值
    p = nullptr; // 只修改了函数内部指针副本的指向，外部指针不变
}
```

引用传递 ：传递的是实参的别名。对引用的任何操作都直接作用于原始实参本身。

cpp 复制代码

void modifyByReference(int &r) {
    r = 100; // 直接修改了外部变量的值
    // 无法让引用r重新绑定到另一个变量
}

⚠️ 常见陷阱与最佳实践

悬垂引用/指针

永远不要返回局部变量的指针或引用。因为函数结束后，局部变量会被销毁，其内存空间失效，返回的指针或引用就变成了"悬垂"的，使用它们会导致未定义行为。
cpp 复制代码
```
int* badReturnPointer() {
    int x = 10;
    return &x; // 错误！返回了局部变量的地址
}
int& badReturnReference() {
    int x = 10;
    return x; // 错误！返回了局部变量的引用
}
```
引用和指针的const限定
- 指向常量的指针：不能通过该指针修改对象的值。
- 指针常量：指针本身的值（指向的地址）不能改变。
- 指向常量的指针常量：两者都不能改变。
- 常量引用：常用于传递不希望被修改的函数参数，可以提高效率并避免不必要的拷贝。需要注意的是，虽然通过常量引用不能修改所绑定的对象，但该对象本身可能通过其他途径被修改。
现代C++的智能指针

对于动态分配的内存，应优先使用std::unique_ptr、std::shared_ptr和std::shared_ptr等智能指针。它们基于RAII（资源获取即初始化）机制，能自动管理内存释放，极大地减少了内存泄漏和悬垂指针的风险。

📝 某大厂面试真题解析

真题1：基础概念辨析

题目：写出下面代码的输出结果。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    char b = 30;
    char* p = &b;
    char& ra = b;
    cout << sizeof(p) << endl;
    cout << sizeof(ra) << endl;
    return 0;
}

详解：

sizeof(p)：p是一个指针，sizeof(指针)返回的是存储地址所需的内存大小。在64位系统 上，结果通常是8字节；在32位系统上是4字节。
sizeof(ra)：ra是char型变量b的引用，sizeof(引用)返回的是其所引用对象类型的大小。b是char类型，所以结果是1字节 。
答案：在64位系统下，输出为 8 和 1。

真题2：指针运算与数组

题目：分析以下代码的输出。

cpp 复制代码

int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr = (int *)(&a + 1);
printf("%d, %d\n", *(a + 1), *(ptr - 1));

详解：

a是数组名，在大多数情况下会退化为指向首元素的指针（类型为int*）。
&a表示的是整个数组的地址 ，其类型是int (*)[5]。
&a + 1：这里的1是加上整个数组的大小（5 * sizeof(int)），所以ptr指向数组a末尾之后的下一个位置。
*(a + 1)：a退化为int*，a + 1是第二个元素的地址，解引用得到a[1]，即2。
*(ptr - 1)：ptr是int*类型，ptr - 1向前移动一个int的大小，指向a的最后一个元素a[4]，解引用得到5 。
答案：输出 2, 5。此题考察对数组指针和普通指针运算的理解深度。

真题3：内存管理陷阱

题目：下面代码有何问题？

cpp 复制代码

char *getMemory() {
    char p[] = "hello";
    return p;
}
void Test() {
    char *str = NULL;
    str = getMemory();
    printf(str);
}

详解：函数getMemory中，数组p是一个局部变量，存储在栈上。字符串字面量"hello"被初始化到该数组空间。当函数返回时，栈内存被释放，数组p不再有效。返回其地址给str后，str成了一个悬垂指针 。后续printf试图通过str访问已释放的内存，行为是未定义的 ，通常输出乱码或导致程序崩溃。
修正：若需要返回字符串，可将数组改为动态分配（用new/malloc，但需调用者释放）或使用智能指针。更佳做法是直接返回std::string，避免手动管理内存。

💎 总结与面试技巧

在面试中回答此类问题时，可以遵循以下思路：

结构化回答：先抛出核心区别，如"指针是实体，引用是别名"，然后分点阐述初始化、可空性、重定向等关键差异。
结合场景：不仅说出区别，更要说明不同特性所适用的场景，例如"正因为引用不能为空，所以做函数参数时通常更安全简洁"。
体现深度 ：在适当的时候提及const的正确用法、现代C++的智能指针最佳实践，这能展示你的知识广度和对代码质量的重视。
谨慎分析：面对代码题，先慢下来，一步步分析每个表达式的类型和含义，特别是遇到指针和数组混合运算时。

希望这份详细的解析能帮助你在面试中游刃有余。如果对const的深入用法或智能指针的具体细节感兴趣，我们可以继续深入探讨。