我理解的指針與引用

最近在學習Golang的過程中,發現一個有意思的事情,有的文章說函數調用傳參時 slice 是引用傳遞,有的說是值傳遞。爲什麼同一個東西大家會不同認識?爲了搞清楚其本質,我進行了以下內容的研究:

  1. 變量的變量名、變量值、變量地址在內存中是怎麼樣的?
  2. 指針的定義是什麼?引用的定義是什麼?二者有什麼關係?
  3. 函數傳參中值傳遞、指針傳遞與引用傳遞到底有什麼不一樣?
  4. Go中 slice 在傳入函數時到底是不是引用傳遞?如果不是,在函數內爲什麼能修改其值?

爲了避免文章寫的過長,看了想瞌睡,分成兩篇文章來解釋這個問題,本文先解決問題1跟2,下一篇說明餘下的問題。

變量名程序員給地址取的外號

上學的時候,老師講變量是存在內存中的,內存就像一排排抽屜組成的,每個抽屜上面有個編號,我們定義一個變量,就是把想放的東西放到這個對應編號的抽屜裏。比如: int a = 10,用圖來表示下:
這裏寫圖片描述

這裏:變量的名字叫 a ,變量的值是:10,變量的地址是:0x 00000001
那麼問題來了,變量的值我們知道是放在了抽屜裏(內存中),每個抽屜有編號(地址),但是變量的名字 a 存放在哪裏呢?或者說它會存在於內存中嗎?

大家想一個問題,如果變量的名字要存放在內存中,那麼肯定分配一個空間給他,保存它的空間有個地址,這個地址是不是又得有個地方存起來程序才能找到?如果真是這樣設計,那麼代碼根本沒發寫、無法運行了。

其實變量名僅僅是寫給程序員看的,讓我們寫代碼的時候知道這個變量有什麼用,能夠通過名字調用變量的值。因爲如果直接給你一個地址 0x 23004123,你知道這是要幹嘛嗎?代碼經過編譯後,最終都會轉換成機器碼,我們定義的變量名就都不存在了,存在的只有地址跟值。

指針其實很普通

有了上面的理解,再來一個特殊的變量:指針變量。什麼叫指針變量呢?其實就是這個變量裏邊存放的是一個變量的地址,通過這個地址,機器可以找到對應變量的值,例如:int * pa = &a,就表示變量 pa 抽屜裏放的是 a 的地址,它的類型是:int*,繼續看圖:
這裏寫圖片描述

這裏需要重要說明的是:指針pa與a的關係是:a抽屜裏邊放的是變量值10,pa放的是變量的地址:0x00000001,這裏一定要記住,下面說引用的時候才更容易理解。

引用就是變量的另一名字

繼續談引用,引用與指針我們經常傻傻分不清,因爲它們的行爲確實非常詭異,看起來效果非常相似,看代碼:

由於引用的概念是在 c++ 中引入的,因此下面的代碼使用c++,僅僅是一些打印而已,放心看下去


int main() {
    int a = 10;// 變量
    int * pa = &a; // 指針
    int & b = a; // 引用

    printf("a: %d\n", a);// a: 10
    printf("*pa: %d\n", *pa);// *pa: 10
    printf("b: %d\n", b);// b: 10

    *pa = 20;
    printf("a: %d\n", a);// a: 20
    printf("*pa: %d\n", *pa);// *pa: 20
    printf("b: %d\n", b);// b: 20

    b = 30;
      printf("a: %d\n", a);// a: 30
    printf("*pa: %d\n", *pa);// *pa: 30
    printf("b: %d\n", b);// b: 30

      a = 40;
      printf("a: %d\n", a);// a: 40
    printf("*pa: %d\n", *pa);// *pa: 40
    printf("b: %d\n", b);// b: 40
    return 0;
}

通過上面的代碼我們發現,指針與引用都能達到一個效果:都有能力修改a的值,指針前面講過了,因爲它保存了a的地址,通過解引用操作後,實際上就是打開了a的抽屜,因此可以進行修改。那麼引用又是怎麼辦到的?這裏注意一個細節:*pa = 20; c = 30;a = 40。我們看到操作c的時候與操作a是一樣的方式:直接使用變量名,但是pa要想改變a的值,必須進行 *pa 操作(解引用),如果直接 pa=20,這僅僅是改變的pa的值,讓他指向了另外一個地址。

爲什麼引用與變量是一樣的操作方式?先來看一下引用的定義:

引用就是某一變量的一個別名,對引用的操作與對變量直接操作完全一樣。

那麼別名是什麼意思呢?繼續看圖,一看就懂
這裏寫圖片描述

看到了吧?a就是b,b就是a。系統並不會爲引用額外分配空間進行存儲,甚至可以簡單理解爲:這個別名僅僅是爲了給程序員看的,到機器碼層面的時候,他們都會變成地址:0x 00000001。

有碼爲證

通過上面的分析不知道你理解了幾分?或者你是不是對指針與引用還是半信半疑?沒關係,寫點代碼證明一下即可,我們要證明的是:
- 引用是變量的別名,那麼它的地址應該與變量一致;
- 指針保存的是變量的地址,那麼它的值是變量的地址,它自身的地址與變量不同。

爲了證明,程序設計如下:定義一個變量,分別賦值給指針、引用,然後檢查他們對應的值與地址。

int main() {
    int a = 10;
    printf("%d\n", a);
    printf("%p\n", &a);

    printf("~~~~~~~~~~~~~~\n");
    int * b = &a;
    printf("%p\n", b);
    printf("%p\n", &b);

    printf("~~~~~~~~~~~~~~\n");
    int & c = a;
    printf("%d\n", c);
    printf("%p\n", &c);
    return 0;
}

獲得輸出:

10 // 變量a的值
0x7ffee3c7a768 // 變量a的地址
~~~~~~~~~~~~~~
0x7ffee3c7a768 // 指針的值,是變量a的地址
0x7ffee3c7a760 // 指針變量自己的地址
~~~~~~~~~~~~~~
10 // 變量a的值
0x7ffee3c7a768 // 引用變量c的地址,與變量a的地址完全一樣

在上面如果指針想要打印變量a的值,需要解引用操作:printf(“%d\n”, *b);

小結

  • 變量由三分部分構成:變量名、變量值、變量地址;
  • 變量名實際上只是給程序員看的,編譯後的代碼中並不存在變量名;
  • 指針變量就是一個變量存儲了另外一個變量的地址,系統也會爲他分配內存空間來存儲這個地址;
  • 引用實際是變量的別名,他跟變量有相同的地址。

下次預告:
1. 函數傳參中值傳遞、指針傳遞與引用傳遞到底有什麼不一樣?
2. 爲什麼說 slice 是引用類型?
3. Go中 slice 在傳入函數時到底是不是引用傳遞?如果不是,在函數內爲什麼能修改其值?

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