深入理解：Pass-by-Reference 与 Pass-by-Pointer

在编程中，函数参数的传递方式对程序的性能和逻辑有着重要影响。 Pass-by-Reference（按引用传递） 和 Pass-by-Pointer（按指针传递） 是两种常见的参数传递方式，尤其在 C++ 和类似语言中广泛使用。尽管它们的目标相似——避免拷贝大型对象并允许函数修改原始数据——但它们在语法、语义和使用场景上存在显著差异。本文将深入探讨这两种传递方式的区别、优缺点以及适用场景。

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1. 基本概念

1.1 Pass-by-Value（按值传递）

在讨论 Pass-by-Reference 和 Pass-by-Pointer 之前，先回顾一下 Pass-by-Value。按值传递是指将实参的值复制一份传递给函数，函数内部操作的是副本，不会影响原始数据。这种方式简单直观，但对于大型对象（如结构体或类）来说，拷贝开销较大。

void increment(int x) {
    x++;
}

int main() {
    int a = 10;
    increment(a);  // a 仍然是 10
    return 0;
}

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1.2 Pass-by-Reference（按引用传递）

按引用传递是指将实参的引用（别名）传递给函数，函数内部直接操作原始数据。引用是变量的别名，语法上更简洁。

void increment(int &x) {
    x++;
}

int main() {
    int a = 10;
    increment(a);  // a 变为 11
    return 0;
}

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1.3 Pass-by-Pointer（按指针传递）

按指针传递是指将实参的地址传递给函数，函数通过指针间接访问原始数据。指针是显式的内存地址，语法上需要解引用操作。

void increment(int *x) {
    (*x)++;
}

int main() {
    int a = 10;
    increment(&a);  // a 变为 11
    return 0;
}

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2. 主要区别

2.1 语法与可读性

• Pass-by-Reference：语法简洁，直接使用变量名，无需额外符号。
• Pass-by-Pointer：需要显式使用 & 取地址和 * 解引用，代码稍显复杂。

2.2 安全性

• Pass-by-Reference：引用不能为 null，因此更安全，避免了空指针异常。
• Pass-by-Pointer：指针可以为 null，需要额外的空指针检查。

2.3 灵活性

• Pass-by-Reference：引用一旦绑定到一个变量，就不能再绑定到其他变量。
• Pass-by-Pointer：指针可以随时指向不同的内存地址，灵活性更高。

2.4 性能

• Pass-by-Reference 和 Pass-by-Pointer 在性能上几乎没有区别，因为它们本质上都是传递内存地址。唯一的区别在于引用的解引用操作由编译器隐式完成，而指针需要显式解引用。

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3. 适用场景

3.1 使用 Pass-by-Reference 的场景

• 需要修改原始数据：引用可以直接操作原始数据，避免拷贝开销。
• 避免空指针异常：引用不能为 null，适合对安全性要求较高的场景。
• 简化代码：引用语法简洁，适合需要高可读性的代码。

void swap(int &a, int &b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

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3.2 使用 Pass-by-Pointer 的场景

• 可选参数：指针可以为 null，适合表示可选参数。
• 动态内存管理：指针适合与动态内存分配（如 new 和 delete）结合使用。
• 多态性：指针支持多态性，适合处理继承和虚函数。

void print(int *ptr) {
    if (ptr) {
        std::cout << *ptr << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Pointer is null" << std::endl;
    }
}

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4. 代码示例对比

4.1 Pass-by-Reference 示例

void modifyReference(int &x) {
    x = 100;
}

int main() {
    int a = 10;
    modifyReference(a);
    std::cout << a;  // 输出 100
    return 0;
}

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4.2 Pass-by-Pointer 示例

void modifyPointer(int *x) {
    if (x) {
        *x = 100;
    }
}

int main() {
    int a = 10;
    modifyPointer(&a);
    std::cout << a;  // 输出 100
    return 0;
}

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5. 总结

特性	Pass-by-Reference	Pass-by-Pointer
语法	简洁，无需额外符号	需要 & 和 *
安全性	更安全，不能为 null	可能为空指针
灵活性	绑定后不可更改	可随时指向其他地址
适用场景	修改数据、高可读性	可选参数、动态内存管理

• 推荐使用 Pass-by-Reference：在大多数情况下，引用更安全、更简洁，适合需要修改数据且不需要空值的场景。
• 推荐使用 Pass-by-Pointer：当需要处理可选参数、动态内存或多态性时，指针是更好的选择。

6. 注意事项

1. 避免滥用指针：指针虽然灵活，但容易引入空指针和内存管理问题。
2. 引用与指针的转换：在 C++ 中，可以通过 * 和 & 在引用和指针之间转换，但需谨慎使用。
3. 性能优化：对于小型数据（如基本类型），按值传递可能更高效。

面试小贴士

• Pass-by-references is more efficient than pass-by-value, because it does not copy the arguments. The formal parameter is an alias for the argument. When the called function read or write the formal parameter, it is actually read or write the argument itself.
• pass-by-reference vs. pass-by-value: modify the argument value in the calling function or not.
• pass-by-reference vs. pass-by-pointer: pointers can be NULL or reassigned whereas references cannot.

Reference

https://www.ibm.com/docs/en/zos/2.4.0?topic=calls-pass-by-reference-c-only