Да, работа с сегментом данных и стеком значительно легче для процессора, и потому их используют везде, где можно. Куча используется в четырёх основных сценариях.
1. Выделение большого количества данных, которые стек вместить не может. Пример: матрица на много-много мегабайт.
2. Выделение не известного заранее количества данных. Обычно «не известное заранее» = «возможно, большое», но и тут есть интересный пример: даже если 1000 символов на строки нам хватает за глаза, строки используются настолько часто, что слишком уж расточительно на каждую строку пускать по килобайту.
3. Сложное время жизни объекта, не ограниченное рамками функции. Примеры могут быть в играх: функцией Spawn объект появляется, функцией Kill уничтожаем.
4. Использование виртуального полиморфизма (см. ООП). Игровые позиции, как ни странно, плохо совместимы с ООП, так что давайте будет так: функция CreateStream может создать поток, работающий с отрезком памяти или файлом.
Указатель может иметь такие значения.
• Единственная «ниточка», ведущая к объекту в куче. Все указатели перенаправили, а объект не уничтожили — всё, кусочек памяти «висит».
• Некие «стрелочки», налаженные между объектами, чтобы устроить связный список, дерево или что-то ещё. Независимо от того, какие объекты: мы вполне можем в небольшой игре создать кучу объектов с запасом, скажем, в сегменте данных или даже стеке, и налаживать между ними такое же взаимодействие, как будто они в куче.
• Просто «стрелочка» на кусок памяти, которую принимает или отдаёт функция. Причём эта стрелочка может указывать и в пустоту (nullptr). Всё, что функция изменяет по этой стрелочке, будет видеть и вызывающая программа — в отличие от передачи по значению. Или просто объект такой большой, что его копировать бессмысленно. Или архитектурно некопируемый (системный ресурс вроде открытого файла).
• Арифметика указателей позволяет работать с кучей объектов, которые сидят рядом в памяти. В Си++ есть понятие «итератор» — объект, похожий на указатель и обладающий арифметикой указателей, но позволяющий пробежаться, например, по дереву поиска.
• Опять-таки, виртуальный полиморфизм приводит к тому, что к нам приходит не-знамо-что не-знамо-какого устройства (мы лишь знаем, что этот объект, скажем, умеет читать данные как из файла) — обращаться к таким объектам можно только через указатели. В отличие от предыдущего примера с итераторами, мы не понимаем даже самых основ объекта — сколько он байтов занимает, как его создавать, копировать и уничтожать (часто в интерфейс объекта входят столь же виртуальные команды «сделать копию» и «уничтожить», но это отдельный вопрос).
На ссылку смотрите как на указатель, который 1) не может указывать в пустоту; 2) надо обязательно сразу же присвоить и дальше не перенаправлять. Самое то, когда функция принимает или отдаёт «стрелочку» на кусок памяти, и стрелочка никогда не может указывать в пустоту.
