C 語言字串 | ASCII 表應用 | Command Line Argument

2024/09/17閱讀時間約 1 分鐘

在上一篇文章中，我們介紹了「陣列」的基本使用方式。本篇將帶你深入探討 C 語言中字串的運作原理，了解如何以陣列形式儲存字串。此外，我們還會介紹如何將英文字母透過 ASCII 表轉換成數值，並說明其在電腦中的實際應用。最後，我們將解析 Command Line Argument（命令列引數）的使用方法，並探討程式結束時的 Exit Status（退出狀態）。讓我們一起揭開這些概念的神秘面紗，往電腦科學靠近！

字串與陣列

「HI! 」在 C 語言中其實是以字元陣列的方式被儲存，每一個字母在 C 語言的資料型別是 char 。

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    char c1 = 'H';
    char c2 = 'I';
    char c3 = '!';
    printf("%c%c%c\n", c1, c2, c3);
}

成功輸出 HI! 但如果改成以整數輸出，會有什麼結果呢？

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    char c1 = 'H';
    char c2 = 'I';
    char c3 = '!';
    printf("%i%i%i\n", c1, c2, c3);//改成輸出int資料型別
}

輸出727333

這些 727333 是對照 ASCII Table 所產生的對應數字，之後再轉成 0 和 1 的方式存在電腦。

圖片來源：https://www.geeksforgeeks.org/ascii-table/

實際上不須要一個一個給字母資料型態，在 CS50 的環境中，加入 <cs50.h> 就會有string 表示字串。這個資料型別背後的原理是「陣列」，陣列是連續的資料儲存格式，就跟實際上的字串寫法一樣。以下示範用字元陣列的概念輸出字串，方便你了解儲存方式，但平常只需要打 %s 就可以輸出字串了。

#include <stdio.h>
#include <cs50.h>

int main(void)
{
    string s = "HI!";
    printf("%c%c%c\n", s[0],s[1],s[2]);
}

如果改成整數，並多顯示一格會發生什麼事呢？

#include <stdio.h>
#include <cs50.h>

int main(void)
{
    string s = "HI!";
    printf("%i%i%i%i\n", s[0],s[1],s[2],s[3]);
}

居然在最後出現０

在 ASCII Table 中，輸出 0 代表 NULL 空值，這裡沒有值的意思，並不是使用者輸入 0 這個數字。補充說明，字元陣列的結束會用 NUL 代表字串結束，在電腦中會用 \0 多留一個空間，不過使用者並不會看到。

一張圖說明 0 和 NULL 的差別。0 是沒有衛生紙，但 NULL 是連紙捲都沒有。圖片來源：網路。

既然字串是以陣列的形式表示，也可以用陣列的方式計算字串的長度。背後的概念是讀陣列的索引值，如果讀到\0 就代表已經結束。

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

int string_length(string s);
int main(void)
{
    string name = get_string("Name: ");
    int length = string_length(name);
    printf("%i\n", length);
}

int string_length(string s) // 寫一個長度的功能餵字串進去
{
    int n = 0;
    while (s[n] != '\0')
    {
        n++;
    }
    return n;
}

不過，C 語言裡有已經寫好的標頭檔，加入 <string.h>，可以直接使用 strlen 即可，不需要再寫迴圈一個一個讀值。

密碼學入門：凱薩密碼

綜合前面提到的 ASCII 表與陣列的概念，我們來實作凱薩密碼。凱薩密碼是經典的加密方法，由 Julius Caesar 提出，雖然現今這種方法很容易被破解，但仍是密碼學的入門經典題型。凱薩密碼主要概念是讓英文字母往後位移特定的數值，例如：

位移量 3，加密訊息為 "HELLO"：

H -> K
E -> H
L -> O
L -> O
O -> R

因此，"HELLO" 經過凱薩密碼加密後就會變成 "KHOOR"。

#include <cs50.h>
#include <ctype.h> //注意有<ctype.h>，後面的islower從這裡來
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    string s = get_string("input: ");
    int move = get_int("偏移值:　");
    for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)
    {
        if (islower(s[i]))//判斷小寫
        {
            printf("%c", (s[i] + move - 'a') % 26 + 'a');
        }
        else
        {
            printf("%c", (s[i] + move - 'A') % 26 + 'A');
        }
    }
}

在 C 語言，可以使用 <ctype.h> 的函式庫，就有判斷小寫的函數。

英文大小寫轉換（uppercase）

這裡也是要應用 ASCII 表的值，注意大小寫都固定相差 32 ，所以我可以利用這個特性，把所有的小寫變成大寫。

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(void)
{
    string s = get_string("Before: ");
    printf("After:  ");
    for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)//起始值i與終點值n
    {
        if (s[i] >= 'a' && s[i] <= 'z') //
        {
            printf("%c", s[i] - 32);//每個字元都差32，用（'a'-'A')也可以
        }
        else
        {
            printf("%c", s[i]);
        }
    }
    printf("\n");
}

Multi-dimensional Array （多維陣列）

當字串本身就是一個陣列，而你想把多個字串組成一個陣列時，就會形成「大陣列包小陣列」的結構。

#include <stdio.h>
#include <cs50.h>

int main()
{
    string words[2];

    words[0]="HI!";
    words[1]="BYE!";
    
    printf("%c%c%c\n",words[0][0],words[0][1],words[0][2]);
    printf("%s\n", words[1]);
}

words[0][0] 代表，陣列 words[0]「HI!」的第 0 個字母 H 。

由此可知，陣列可以是多維陣列（Multi-dimensional Array），多維陣列通常用來表示像是表格、圖像或矩陣等資料結構。

#include <stdio.h>

int main()
{
    // 定義一個 3x3 的二維陣列
    int array[3][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}, {7, 8, 9}};

    // 輸出陣列的所有元素
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        for (int j = 0; j < 3; j++)
        {
            printf("%d ", array[i][j]);
        }
        printf("\n"); // 換行，讓輸出看起來像一個表格
    }
}

在這個例子中，array 是一個二維陣列，它包含三個子陣列，每個子陣列裡面有三個元素。我們可以用兩個索引來存取每個元素。例如：

array[0][0] 會得到 1（第 0 列第 0 行），0 是索引值，陣列的起點。
array[1][2] 會得到 6（第 1 列第 2 行）

Command Line Argument（命令列引數）

Command Line Argument（命令列引數），其實就是指你在終端機或命令列中執行一個程式時，可以額外輸入的值或訊息，這些值會被餵給程式，幫助程式運作。

以前我們要執行打招呼的程式，需要再請使用者輸入名字，才可以打招呼。

使用者可以直接在下指令時，輸入「bicky」，就會跑出「 hello, bicky」。原因是我已經預留一個陣列空間，表示程式運行時就要被餵入一個值。

但我如果輸入 bicky yang 只會跑出 bicky，因為我指定輸出 argv[1] 也就是第一個引數。

`argc` 是什麼？

argc 是一個整數，代表命令列引數的數量（arguments count），也就是當你執行這個程式時，總共傳入了幾個引數。
argc 的值至少會是 1，因為它會包含程式本身的名稱作為第一個引數。

`argv[]` 是什麼？

argv[] 是一個字串陣列（array of strings），它儲存了所有的命令列引數。每個引數都是以字串形式儲存的。
argv[0] 通常是執行的程式名稱，在這個程式 argv[0] 表示 ./greet，argv[1]、argv[2] 等則是依次代表你在命令列中輸入的其他引數。

來點有趣的，如果你直接打 cowsay 加某個詞，就會出現一隻牛說出你輸入的詞。

Exit status 退出狀態

一般沒有問題的程式，程式碼會 return 0 表示成功，只是使用者在終端機看不到，如果顯示 return 其他數字就表示程式出現錯誤。return 其他數字可由軟體開發工程師自行定義，每個數字表示異常的代表。例如，工程師可以設定如果 return 127 表示command not found 。在 C 語言的環境中，可以輸入 echo $? 查上一個命令的狀態。