Referencja kontra Wskaźnik

Sprawa wydaje się być błaha. Każdy wie do czego służy wskaźnik, a do czego referencja. Ale czy aby na pewno znamy różnice między nimi i wiemy gdzie które z nich stosować? Przekonajmy się.

Na początek wskażmy różnice między tymi dwoma:

Cecha	Wskaźnik	Referencja
Brak przypisania	Możliwy - nullptr	Niemożliwy. Referencja musi odnosić się do konkretnego obiektu
Ponowne przypisanie	Wskaźnik przyjmować różne wartości, jeśli tylko nie został zainicjowany jako const int * const ptr_i = &i	Raz przypisana referencja nie może ulec zmianie - zawsze odnosi się do tego samego obiektu
&zmienna	Zwraca adres tego wskaźnika	Zwraca do adres to obiektu, do którego odnosi się referencja
sizeof(zmienna)	Zwraca rozmiar wskaźnika	Zwraca rozmiar obiektu do którego się odnosi

Pomimo faktu, że sizeof() wywołany z referencją jako argumentem zwraca wielkość obiektu do którego referencja się odnosi, to w praktyce większość kompilatorów  (jeśli nie wszystkie) implementuje referencję jako wskaźnik. Tym samym referencja fizycznie w pamięci zajmuje dokładnie tyle samo miejsca co wskaźnik… czyli ile? Tego ile waży wskaźnik dowiecie się w osobnym artykule. Na razie wróćmy jednak do tematu różnic między referencją a wskaźnikiem.

A skoro referencja jest implementowana jako fizyczna zmienna, to trzeba mieć więc na uwadze fakt, że ref_i w poniższym przykładzie

int &ref_i = i;
int *ptr_i = &i;

nie zostanie kompletnie usunięta w wyniku optymalizacji kompilatora, a zmienna ref_i będzie fizycznie zajmowała dokładnie tyle samo miejsca w pamięci co wskaźnik ptr_i.
To znaczy MOŻE nie zostać usunięta, bo to co kompilator robi z naszym kodem może nas nieźle zdziwić. W praktyce może się okazać że z naszego kodu w ogóle zostanie tylko zwrócenie wartości z funkcji main.

Kiedy referencja, a kiedy wskaźnik?

Odpowiedź na to pytanie nie jest jednoznaczna, bo te dwie koncepcje da się wykorzystywać zamiennie w większości przypadków. Ale istnieje jedna ogólna zasada – używaj referencji kiedy tylko jest to możliwe. Dopiero jeśli się nie da, użyj pointera. Gdzie się nie da?

• • Obiekt jest opcjonalny – potrzeba użycia nullptr. Alternatywie możemy do tego wykorzystać boost::optional (wprowadzony do standardu od C++17).
  • Potrzeba korzystania z biblioteki napisanej w C (lub C-style).
  • Przechowywanie referencji na obiekty w kontenerach STLowych – jest to niemożliwe, że względu na to, że obiekty przechowywane w wektorze muszą być „przypisywalne”. Const int również nie wchodzi w grę. Do obejścia problemu można wykorzystać std::reference_wrapper, lub zwykły wskaźnik.
  • Musisz operować na wskaźnikach do pamięci – praca blisko sprzętu. Wtedy jednak zaleca się maksymalnie ograniczyć ich wykorzystanie i utworzenie dobrej abstrakcji, która na zewnątrz nie będzie już wystawiać api wymagającego używania czystych wskaźników.
  • Zgodnie ze słowami Herba Suttera jeśli musimy przekazać do funkcji obiekt trzymany w unique_ptr czy shared_ptr ale nie chcemy oddawać jego posiadania, powinniśmy przekazać go jako wskaźnik. Tym samym utrzymujemy konwencję, w której wskaźnik może być null lub wskazywać na obiekt danego typu. Programiści zbyt często przekazują w tym miejscu referencję do całego smart pointera. Jest to jednak niezalecane rozwiązanie. Sygnatura funkcji zawierająca referencję na smart pointer jest zarezerwowana dla funkcji, która modyfikuje sam smart pointer, a nie to, co ten smart pointer przechowuje.

    Na dobry początek należałoby się jednak zastanowić, czy przekazanie wskaźnika do obiektu jako argument funkcji jest w ogóle konieczne w naszym przypadku. Może da się to zaprojektować inaczej?

Uprzedzając komentarze

Jest możliwe utworzenie referencji, która jest pusta. Robi się to tak:

int *p = NULL;
int &r = *p;
r = 1;

W powyższym przykładzie jednak już dereferencjonowanie wskaźnika o wartości NULL samo w sobie jest undefined behavior. Zainicjowanie referencji czymś co powoduje zachowanie niezdefiniowane dalej jest błędne. Powyższy kod mimo, że może się kompilować bez błędu, jest absolutnie niepoprawny, a za argumentowanie nim czegokolwiek powinno się karać szklaneczką… co ja piszę?! Szklanką pu-erha!