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進階探討 pointer 雙重指標!與 2-d dynamic array

• 進階探討 pointer 雙重指標!與 2-d dynamic array
  • 前言
  • 雙重指標變數
    • 小提醒
    • precedence 優先權與結合性
  • 雙重指標變數的取值與取址
  • 動態配置二維陣列
    • 動態配置二維陣列的語法
    • 動態配置記憶體，用完請回收
    • [補充 - 自行閱讀]指標變數陣列
  • [補充 - 自行閱讀] 雙重指標的運算 (double pointer arithmetic)
    • 一重指標的二維陣列運算
    • 雙重指標的二維陣列運算
  • Reference

前言

在真的探討二維的動態陣列之前，有一個必須知道的基本知識就是雙重指標，而他的概念有點不直覺，我們一起來看看。

在開始閱讀這篇筆記前，請確定你閱讀過運算子的優先權了哦! -> 我是傳送門

第一次看請不要灰心，一定會看不懂，多看幾次吧QAQ。
Orange

雙重指標變數

複習一下，一般的指標變數如下:

int *p;

那既然會說是雙重指標變數，長相如下:

int **p;

可以看到有兩顆 *，那該怎麼理解呢? 我們先從名詞解釋開始吧。
還記得我們稱 int *p 為一個指標變數，會儲存一個指標(記憶體位址)。

不失一般性，int **p 仍為一個指標變數，也會儲存一個指標(記憶體位址)，但他儲存的指標是一個指標變數的指標(記憶體位址)。

所以就會有我們常聽到的，雙重指標變數就是「指向指標變數的指標變數」。

我們馬上看個實際例子。

int a = 5;
int *p1 = &a;
int **p2 = &p1;

以 int *p1 來看，他是一個指標變數，儲存一個變數 a 的指標。
以 int **p2 來看，他是一個指標變數，儲存一個指標變數的指標。

如果你覺得很饒口，看一下下面的圖幫助你理解。

核心觀念千萬不要忘記，無論是一般的指標變數，還是雙重指標變數，都是儲存記憶體位址，就算今天變成三重指標變數，四重指標變數都一樣哦!

而這邊宣告他們是 int 型態就與上一篇筆記在講一般指標變數時相同，代表該指標變數最後指向的記憶體位址所儲存的值必須要是 int 型態。

小提醒

今天你宣告一個指標變數是幾層指標，他就必須要指向幾次，可以參考上圖，雙重指標變數(0x300)會根據記憶體位址指兩次，一般指標變數(0x200)只有指一次。

如果你把指向次數不同的位址指派錯人，程式是會報錯的哦，像下面這樣。

int a = 5;
int *p1 = &a;
int **p2 = &a; // error!!

你會看到像下面這樣的錯誤訊息。沒有辦法把一重指標變數指派給雙重指標變數，所以請一定要明確了解這邊的運作方式哦。

precedence 優先權與結合性

還記得請各位去看一下運算子的優先權，這邊想跟大家討論的原因是，int **p這邊有兩個 *，亦稱 dereference 運算子，請問要先看哪個星號，優先權是如何?

• dereference 的結合性是右結合，會先看右邊
  • 所以宣告雙重指標其實是像這樣 int *(*p2)

看到 * 號(左邊那顆)代表宣告指標變數，但因為是右結合，所以 p2 與 右邊的 * 優先結合，這樣由左至右就可以翻譯成，宣告一個指標變數其指向一個一重指標變數。

雙重指標變數的取值與取址

int main(){
    int a = 5;
    int *p1 = &a;
    int **p2 = &p1;
    //a 取值
    cout << "[變數] a 存的值: " << a << endl;
    //a 取址
    cout << "[變數] a 所在的記憶體位址: " << &a << endl;

    //p1 取值
    cout << "[指標變數] p1 指向的位址儲存的值: " << *p1 << endl;
    //p1 取址
    cout << "[指標變數] p1 指向的位址: " << p1 << endl;
    cout << "[指標變數] p1 所在的記憶體位址: " << &p1 << endl;
    
    //p2 取值
    cout << "[指標變數] p2 指向的位址所儲存的值(位址): " << *p2 << endl;
    cout << "[指標變數] p2 指向的位址所指向的位址儲存的值: " << **p2 << endl; 
    //p2 取址
    cout << "[指標變數] p2 指向的位址: " << p2 << endl;
    cout << "[指標變數] p2 所在的記憶體位址: " << &p2 << endl;
    return 0;
}

對齊工具 setw 與 left ->小題外話(1)、(2)

相信都是文字有點不直覺，我們再看張圖吧!

已經講到最簡單摟，希望大家多多思考，有問題鼓勵發問!

動態配置二維陣列

在真的配置動態二維陣列之前，有一些觀念要跟大家討論。

二維動態陣列配置的記憶體運作方式是像這樣的，請看下圖。

圖片來源 -> here

• 最上層，雙重指標變數 p
  • 會是由外往內配，先配置最上層(圖中最左)的雙重指標，讓它往下指，而我們知道一個指標變數就存一個記憶體位址，所以它要存下一層一維陣列的陣列頭 p[0]，剩下的 p[1]、p[2] 則是依靠我們之前說的位移量去遍歷它。
• 第二層的 p[0]、p[1]…，因為要能夠指到最內層的陣列，所以每一個(p[0]、p[1]…p[n])都會被視為指向一維陣列頭(記憶體位址)的指標變數
  • 因此 p[0] 會衍生出一條一維陣列，p[1] 會衍生出一條一維陣列，依此類推。
  • 而對於 p[0] 而言，p[0][0]、p[0][1] 則是依靠位移量來達到。

所以第二層我們稱它為指標變數陣列，陣列中的每一格都儲存一個指標變數。我們後面來說明它。

就像整數陣列每格存整數，浮點數陣列每格存浮點數。
指標變數陣列每格存指標變數，就這麼簡單~

所以你只要搞懂什麼是指標變數你就會了。
Orange

動態配置二維陣列的語法

既然已經知道上面那張圖的看法跟建立陣列的方式，我們來看 CODE。

int main(){
    int row = 3, col = 2;
    int **p = new int*[row];
    for(int i = 0; i < row; i++){
        p[i] = new int[col];
    }
}

• 第 3 行
  • 宣告一個雙重指標變數 p
  • 因為要配置出下一層的指標變數陣列，讓每一格指標變數都能指出一條陣列(這邊假設 row = 3，所以有 3 條) -> 3 條一維陣列建構出一個二維陣列。
• 第 4 行
  • 假設我們要配置出一個 3 * 2 的陣列，在第 3 行已經配置了三格儲存 3 個指標變數，接下來要為這三個指標變數分別指向一個陣列的陣列頭。
• 第 5 行
  • 每條一維陣列有 2 格(col = 2)
  • 因為在第 3 行已經配置一個長度為 3 的一維指標變數陣列，所以 p[i] 代表配置出的陣列的位移量，去取得該記憶體位址內的值。如果這一行混淆你，我們返璞歸真看一下下面。
  • 提醒 : p[i] 跟 p[i][j] 的位移量影響的是不同的方向哦。

別忘記之前講的。

int a = 5;
int *p1 = &a;
int **p2 = &p1;
cout << p2 << endl;

cout << p2 代表印出指標變數 p2 所指向的位址。

那換成下面這樣。

int **p2 = new int*[3];
cout << p2 << endl;

cout << p2 會印出指標變數 p2 所指向的陣列頭的記憶體位址。

而 cout << p2[0] 會取出 p2 這個指標變數陣列第一格所儲存的值，因為每一格都是指標變數，所以會印出第一格指標變數的記憶體位址。

cout << p2[0][0] 會取出 p2 這個指標變數陣列第一格所儲存的值(位址)所儲存的值。
以下依此類推…

畫個圖就像這樣。

上面這張圖可以用下面這個範例玩一下，確保你知道圖上每個取值取址的不同處哦!

int main(){
    int **p = new int*[3];
    int i = 0, j = 0;
    // 配置
    for(i = 0; i < 3; i++){
    	p[i] = new int[2];
    }
    // 取址
    for(i = 0; i < 3; i++){
    	for(j = 0; j < 2; j++){
    		cout << &p[i][j] << " ";
    	}
        cout << endl;
    }
    // 附值
    int k = 0;
    for(i = 0; i < 3; i++){
    	for(j = 0; j < 2; j++){
            p[i][j] = k;
            k++;
    	}
    }
    // 取值
    cout << p << " " << &p[0] << " "          //p equal to &p[0]
         << p[0] << " " << &p[0][0] << " "    //p[0] equal to &p[0][0]
         << p[0][0] << endl;
    return 0;
}

所以其實一個 3 * 2 的動態陣列，就配置了 10 個記憶體位址，你說它真的非常有效率嗎?真的端看需求而定!

動態配置記憶體，用完請回收

上面的例子動態配置了 3 * 2 的陣列，但配出來的這些記憶體，必須要被收回去，語法先來。

//配置
int **p = new int*[3];
for(int i = 0; i < 3; i++){
    p[i] = new int[2];
}
//回收
for(int i = 0; i < 3; i++){
    delete[] p[i];
}
delete[] p;

我想在看配置的時候，應該有點感覺，我們是從外到內一直分配記憶體出來，所以在回收的時候呢，要先把最內部的記憶體刪乾淨，才能把外面的刪掉。

• 最內層
  • 第 7 + 8 行，因為總共配置 3 條，每條 2 格，所以是先把 p[0 ~ 2][0 ~ 1] 共 6 格的記憶體刪掉

  • 語法沒有 p[0 ~ 2][0 ~ 1] 這種寫法，這邊只是說明!
    這樣寫絕對大扣分
    Orange

• 外層
  • 第 10 行
  • 接者再把 p[0~2] 共 3 格，的記憶體給刪掉

到這邊的內容是參考書的內容，要考過考試大家要學會，下面是補充。

---

以下為補充~

[補充 - 自行閱讀]指標變數陣列

我左思右想，我雖然會，但我決定依靠大神們來講解
Orange

• 這篇請閱讀文章內 3(a)(b)
  • 簡單搞懂指標(pointer)、指標陣列(pointers of array, int *foo[]) 與指向陣列的指標 (pointer to array, int (*bar)[])

  • 雖然語法是 C，不是 C++，但核心概念不變，可以自己用 C++ 的語法試試看
    裡面有一些小地方寫錯，麻煩自己判別哦

• 接著請閱讀這篇

  • 上面那篇要你們看的地方看得懂的話，這篇一定看得懂

  • C / C++ 函式傳遞二維陣列 範例與解說
• 最後請閱讀這篇

  • 雖然是大陸用語，但我相信聰穎的你一定知道對應到我們常說的甚麼。
    不會歡迎來找我討論哦~

  • C/C++编程语言中char** a和char* a[]介绍

[補充 - 自行閱讀] 雙重指標的運算 (double pointer arithmetic)

• 雙重指標運算與二維陣列

給大家一些例子自己閱讀吧~
有問題歡迎來問我~

一重指標的二維陣列運算

int main(){
    int array[2][3] = {1,2,3,4,5,6};
    int *p1 = &array[0][0];
	for(int i = 0; i < 2; i++){
		for(int j = 0; j < 3; j++){
			cout << *(p1+i*3+j);
		}
	}
}

雙重指標的二維陣列運算

如果你真的搞懂了 precedence 跟結合性，請問第 11 行怎麼解讀呢?

#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;

void input(double (*wh)[2], int sizeOfRow){
    int j = 0; double t = 0;
    for(int i = 0; i < sizeOfRow; i++){
    	for(j = 0; j < 2; j++){
    		cout << "student" << i+1 << " - "<<j<<":";
    		cin >> t;
    		*(*(wh+i)+j) = t;
            // 如果寫 *(*wh+i+j) 結果會一樣嗎?
    	}
    	if(*(*(wh+i)+j) <= 0) break;
    }
}

string calculation(){
    double wh[3][2];
    input(wh, 3);
    double max = 0, mini = 0, bmi = 0;
    for(int i = 0; i < 3; i++){
    	bmi = wh[i][0]/(pow(wh[i][1], 2));
    	cout << bmi << endl;
    	if(i==0) mini = bmi;
    	if(max < bmi) max = bmi;
    	if(mini > bmi) mini = bmi;
    }
    string a = "max and bmi is ";
    
    // to_string 只支援 C++11
    a = a + to_string(max) + "," + to_string(mini); 
    return a;
}

void show(string a){
    cout << a << endl;
}

int main(int argc, char** argv) {
    show(calculation());
    return 0;
}

Reference

• [C語言] 指標教學[七]: 多重指標
• 指標與位址

很累吧，看個搞笑的文章放鬆一下

• 台灣工程師常唸錯的英文單字