[C語言] 指標、陣列與結構

相較於基本型別int, double，C語言還有衍伸資料型別(Derived datatype)。

其中很常被應用的，就是指標(pointer)、陣列(Array)、結構(struct)

指標(Pointer)

指標的設計，是為了讓CPU可以間接取得資料，有以下優點：

• 可動態配置/釋放記憶體
• 不同的函式可共享大量的儲存空間
• 改善程式存取資料的效率

指標的特性

指標本身是一個物件，指向任何一個已存在物件，可以被指定或拷貝

• 指標宣告時，就要定義是指向哪種資料型態的物件
• 指標本身儲存的值，有三種情況
  • 指向一個物件，值裡面存放另一個物件的位址
  • 指向另一個物件尾端後的位置
  • 沒有指向任何物件，值即為null

  int i = 42;
  int *p = &i;            //p指向i

#include <stdio.h>
int main() {
  int i = 42;     
  int *p;       //* 跟在一個型別，且是宣告的一部份，所以p是一個pointer
  p = &i;       //p指向i

  printf("i: %d\n", i);
  printf("*p: %d\n", *p);
  printf("p: %p\n", p);
  printf("&i: %p\n", &i);
  return 0;
}

陣列(Array)

陣列的定義

是一個複合資料型別，放置單一型別物件的容器，並且以位置來存取它們，有固定的尺寸。

通常是存放char, int型別的資料

字元陣列的特性

在C語言，一個字串本身會在結尾自帶\0結束字元，所以當我們把一個字串用陣列儲存時，實際結尾會有一個\0也被儲存。

例如： char str[20] = "Hello"
在陣列的存放，是一個長度為6的陣列，最後擺放\0

宣告與初始化陣列

• 靜態宣告

int a[10];   //宣告一個10個int物件的陣列
int *p[10];  //宣告一個10個int指標的陣列

因為陣列的長度要在編譯期就決定好。如果想要在執行期動態生成陣列，要用動態配置記憶體的方式。

• 動態宣告
  我們同樣用 malloc() 函式來配置記憶體。參考以下敘述：

int *arr = (int *) malloc(sz * sizeof(int));

我們以 sizeof 求得單一元素的大小後，乘上陣列的長度 sz 即可配置一塊足夠大小的記憶體，用來儲存陣列 arr 的元素。由此可知，陣列在電腦中以是一整塊連續的記憶體來儲存，所以可以用索引值快速存取。

如果想要在配置記憶體時一併將元素初始化為 0，改用 calloc() 函式即可。但 calloc() 函式的參數略有不同：

int *arr = (int *) calloc(sz, sizeof(int));

由於多了初始化的動作，calloc() 函式會比 malloc() 函式慢一點點。

使用完後同樣要釋放記憶體：

free(arr);

由於陣列內部是單一且連續的記憶體區塊，所以可在單一 free() 函式呼叫中釋放掉。不論使用 malloc() 或 calloc()，皆使用 free() 來釋放記憶體。

我們來看一個動態配置記憶體陣列的範例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void) {
    int size = 0;

    printf("輸入長度：");
    scanf("%d", &size);

    int *arr = malloc(size * sizeof(int));

    printf("指定元素：\n");
    for(int i = 0; i < size; i++) {
        printf("arr[%d] = ", i);
        scanf("%d" , arr + i);
    }

    printf("顯示元素：\n");
    for(int i = 0; i < size; i++) {
        printf("arr[%d] = %d\n", i, *(arr+i));
    }

    free(arr);

    return 0;
}

存取陣列元素

陣列使用零或正整數存取陣列元素。參考以下範例：

#include <stdio.h>        

int main(void)             
{                        
    int arr[] = {3, 4, 5};  

    printf("%d", arr[0]);   
    printf("%d", arr[1]);   
    printf("%d", arr[2]);   

    return 0;            
}                       

指標算術

對一個指標做加減，會移動指向陣列中的位置

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int a[] = {1,2,3,4,5};
  int *ip = a;          //等同於int *ip = &a[0]
  int *ip2 = ip + 4;    //ip2指向a[4]

  cout << ip2 << endl;

  return 0;
}

走訪陣列

走訪陣列元素的方式是使用 for 迴圈搭配計數器 (counter)。參考下例：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int arr[] = {3, 4, 5, 6, 7};
    
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d\n", arr[i]);   
    }

    return 0;
}

計算陣列大小

C 陣列本身沒有儲存陣列大小的資訊。如果想要知道陣列的大小，得自行計算。參考下例：

#include <stdio.h>                                          
int main(void)                              
{                                           
    int arr[] = {3, 4, 5, 6, 7};            

    int sz = sizeof(arr) / sizeof(int);  

    printf("%d", sz);                       

    return 0;                           
}                                        

在此範例程式中，我們在第 6 行分別計算陣列大小和陣列元素大小，將其相除後即可得陣列長度。在本例中其值為 5。

但這個方式只對自動配置記憶體的陣列有效，若陣列使用動態配置記憶體，則無法使用這個方法。

多維陣列

先前的範例皆為一維陣列，但 C 語言允許多維陣列。參考以下宣告多維陣列的敘述：

int mtx[3][2] = {
    {1, 2},
    {3, 4},
    {5, 6}
};

我們同樣可以對多維陣列存取索引值：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int mtx[3][2] = {
        {1, 2},
        {3, 4},
        {5, 6}
    };

    printf("%d\n", mtx[1][1]);

    return 0;
}

結構(struct)

宣告struct

結構(struct)可以讓使用者創造自己定義的資料型別

例如一本書的銷售資訊包含多種資料：

struct Sales_data {
  char* book_no;
  int units_sold;
  int price;
  double revenue;
};

其中book_no, units_sold , price,revenue是這個struct的data members，簡稱members

呼叫struct

#include <stdio.h>

struct Sales_data {
  char* book_no;
  int units_sold;
  int price;
  double revenue;
};

int main() {
    struct Sales_data book1;
    book1.book_no = "AAA";
    book1.units_sold = 1000;
    book1.price = 200;
    book1.revenue = book1.units_sold * book1.price;
    
    printf("Revenue: %.2f\n", book1.revenue);
    
    return 0;
}

tags: C/C++程式語言觀念