# NOTE：指標篇
contributed by < `yungchuan` >

:::danger
你的提問呢？回顧你過去開發的程式，難道沒想到概念上有衝突或者激發出更多想法嗎？
:notes: jserv
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## 核心概念
指標可以很複雜，也可以很簡單。我認為要真的弄懂指標其實只需要把握住它的核心概念：==記憶體位址==。當然並不是說只要知道指標代表記憶體位址就能治百病，必須還要搭配規格書上面介紹的指標各種的用法、使用限制等等。但是知道核心概念後，對於解讀複雜的程式碼會容易許多。

## 型態
使用指標時，一定會遇到的事情就是：這個指標是指向什麼型態？在規格書中有提到： ```A pointer type may be derived from a function type, an object type, or an incomplete type, called the referenced type. C99[6.2.5]``` 這代表了指標能指向幾乎所有型態，連 incomplete type 都可以。而對指標而言，型態的意義就是==如何在定位到資料位址之後使用資料==。假設是一個整數指標 (int*) ，其在取出資料時就會以整數的格式將資料取出。如果這個資料並非整數，取出來的資料就會錯誤。

#### Incomplete Type
>若一個型態在定義時並未給予一個明確的空間，則稱為 incomplete type 。而這種 incomplete type 不能建立一個物件，但是可以建立一個指標去指向此 incomplete type 。如下：

struct IncompleteType;
struct IncompleteType  x;  //error
struct IncompleteType *x;  //a point to a incomplete type

## void *
void 最常使用在函式宣告中，意思是函式執行完不會回傳資料。而當 void 宣告成指標 void * 的時候，其意思變成單純的記憶體位址，也就是說 void * 跟其他的指標一樣是代表一段記憶體位址，但是指向的資料沒有、或者說不知道型態。而通常就必須靠程式撰寫者去==強制轉型==此指標，將它轉型成需要的資料型態再來使用。

## 雙重指標？
基本上在寫程式的時候，時常可以看到 int **ptr; List **head; 等寫法，而很多人就直接順著念「雙重指標 (double pointer) 」了。但其實這不是一個正確的稱呼，而是應該稱為「指標的指標 (a pointer to a pointer) 」。畢竟「雙」有「對稱」的意義，而指標的指標有種接續的感覺，是不能並用的。就像我們不會稱兒子的兒子為雙胞胎吧？

## Pointers vs. Arrays
* pointer 代表記憶體位址， array 代表一個連續的記憶體區段。
* 在函式的參數列上宣告 x[] 與 *x 的意思是相同的，皆為指標。
* [] 運算代表「位移後提領」，也就是說 x[4] = *(x + 4) = *(4 + x) = 4[x] 。
* 指標的位移是根據型態決定的。若一個型態在記憶體中為 4 byte ，那麼其位移一次就會移動 4 byte。
* 在 C 語言中，多維陣列的實作是靠一維陣列去實現的。在取值時會看給予的數值對應到的線性記憶體位址而將值取出。

## Function Pointer
考慮以下程式碼

void (*fptr)();
void test();
fptr = test;

* 直觀考慮， fptr 是一個函式的指標，可以記錄函式的位址。
* 在 C 的函式庫中，有一 qsort 宣告如下，可以看到其最後一個參數 ```int (*compar)(const void *, const void *);``` 即宣告為 function pointer ，其意義為 compar 這個 function pointer 會指向一個函式，此函式的功能為決定要排序的資料誰大誰小。所以在執行 qsort 時，會經由 compar 這個 function pointer 把資料傳給比較大小的函式，再經由回傳值來排序。

  void qsort(void *base, size_t nmenb, size_t size, 
             int (*compar)(const void *, const void *));

* test 稱為一個 **designator** 。
* 在規格書有提到：除了當作 sizeof operator 與 & operator 的 operand 之外， designator 會被轉型成一個 "**pointer to function return type**" 。也就是說，上述的 test 會被轉成 function pointer 。
* 而既然是指標，當然可以對其進行提領 (value of) 運算，所以 (*fptr) 會變成 function designator ，但因為其並未進行 sizeof 或 & 運算，最後還是會被轉回 function pointer。也就是說，若一個 function pointer 在前面加上若干個 * 運算，最後還是會變回一個單純的 function pointer 。