C 語言指標－程式碼圖解

大魔王指標：初學者的天堂路。

指標（Pointer）是 C 語言裡的「大魔王」，是資工系學生花了至少 9 小時上的課。我們一起用 18 分鐘文章快速了解指標的基本概念，中間在字串的部分我將結果和程式碼做對照，希望有助於理解。最後，我會將我跟 ChatGPT 對話放上來跟大家一起學習，希望能解決跟我一樣腦筋快打結的學生(╯°□°）╯︵ ┻━┻

指標跟記憶體的關係：

每個變數的值都儲存在記憶體裡，記憶體位置有個唯一的「地址」（Address）。指標 （Pointer）就是一種特殊的變數，用來儲存這些「地址」。

為什麼有指標？更靈活的操作記憶體

• 動態記憶體管理 (Dynamic Memory Management)：透過 malloc() 和 free() 函數，指標可以分配和釋放記憶體，靈活控制記憶體的大小。
• 陣列與字串操作 (Array and String Manipulation)：指標讓我們可以更靈活地操作陣列和字串。特別是字串，實際上是用指標來處理的。

在了解指標之前，我們要先了解記憶體跟十六進位，方便之後解釋。

十六進位與記憶體

什麼是十六進位？

在電腦科學中，我們常常使用不同的數字系統來表示數據。你可能已經熟悉十進位（Decimal），也就是我們日常生活中使用的數字系統，數字從0到9。然而，在電腦的世界裡，除了二進位（Binary）0 和 1 之外，還有另一種非常重要的數字系統，那就是十六進位（Hexadecimal）。

十六進位是以16為基數的數字系統，數字從0到9之後，接著會使用字母A到F來代表額外的值：

• 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
• A = 10, B = 11, C = 12, D = 13, E = 14, F = 15

為什麼需要十六進位？

電腦實際上是以二進位（Binary）來處理數據的，只有0和1兩個數字。然而，當我們處理大量數據時，用二進位來表示數字會變得非常長且難以閱讀。十六進位能夠幫助我們更簡單地表示二進位的數字，因為每個十六進位的數字可以剛好表示4個二進位的位元（bits）。

例如：

• 二進位：1010 代表十進位的 10
• 十六進位：A 也代表十進位的 10

十六進位的應用

1. 顏色代碼

你可能在網頁設計或圖片編輯軟體中看過類似於 #FF5733 這樣的顏色代碼。這些顏色代碼通常是使用十六進位來表示RGB顏色值。每一對數字（或字母）代表紅（R）、綠（G）、藍（B）三個顏色的強度。

例如，#FF5733 中的：

• FF 表示紅色 (255 in decimal)
• 57 表示綠色 (87 in decimal)
• 33 表示藍色 (51 in decimal)

2. 記憶體地址

在電腦的記憶體中，每個資料都儲存在一個特定的位置上，這些位置被稱為記憶體地址。由於電腦中的記憶體地址通常是很大的數字，使用十六進位來表示這些地址可以更簡潔和容易辨認。例如，記憶體地址 0x1A3F 就比用長長的二進位來表示更方便。

３. MAC 位址與 IP 位址

在網路通訊中，MAC 地址（Media Access Control Address）也是用十六進位表示的，通常會以六對兩個字母或數字的形式出現，例如 00:1A:2B:3C:4D:5E。這些值幫助網路設備之間進行唯一識別。

指標變數與取值

圖像說明：

每個變數都有自己的記憶體地址。當我們宣告指標變數 p 時，p 儲存的是某個變數的地址（例如 10 的地址）。

但一般我們不需要關心 p 自己的地址或它儲存的具體數值，因為 p 主要是用來幫我們找到 10 這個值。

在程式上的解釋：

同個 * 不同意思。這裡超重要！

1. 定義指標變數：

• 用 資料型別* 來定義指標變數，例如 int* ptr = &var，這表示 ptr 是指向 var 的地址的指標。
• int* ptr = &var; 的意思是，ptr 是一個指向 int 類型變數的指標，它存的是 var 這個變數的記憶體地址。

補充： * 是定義指標時的一部分，如 int *ptr 或 int* ptr 都是常見的寫法。

２. 取值/解引用（Dereferencing）：

• 當你使用 *ptr 時，你是「解引用/取值」這個指標，也就是去讀取 ptr 所指向的記憶體位置的值。例如 printf("%i\n", *ptr); 輸出的是 ptr 指向的那個值，也就是 var 的值。
• * 當取值的用法，前面不會有資料型別。
• 容易誤會的地方：*ptr 這種寫法只在變數已經是指標時有意義，它會取得指標所指向的值。如果不是指標變數，使用 * 會導致錯誤。

3. 取得地址：

• & 是用來取得變數的記憶體地址。例如 &var 返回 var 的記憶體位置，而不是 var 的值。

#include <stdio.h>

int main()
{
    int var = 10;
    int *ptr = &var; // 令ptr為指標變數，這是第１個定義
    printf("%i\n",var);
    return 0;
}

以上這個程式碼如果看懂就已經前進一大步了！以上這個程式碼要印出 var 的值也就是 10。

#include <stdio.h>

int main()
{
    int var = 10;
    int *ptr = &var;
    printf("%p\n",&var);//印出十六進位的地址型態的表示方法是%p，並非整數%i
    return 0;
}

剛剛提到 &var 是指 var 的 地址，所以他印出來的會是 var 的地址（記憶體位置） 0x7fffeeacc30c。因為每個人電腦的記憶體儲存位置不一樣，所以印出來跟我的結果不一樣是正常的，即使是我重新跑一次結果都會不一樣。

接下來，我印出四行程式，來更清楚解釋指標變數之間的關係。

#include <stdio.h>

int main()
{
    int var = 10;
    int *ptr = &var; //注意int *是令一個指標變數，不是指向ptr哦!
    printf("%p\n",&var); //這裡我印出列，示範&var跟ptr的共同點
    printf("%p\n",ptr); //ptr儲存的是十六進位的地址，所以使用%p
    printf("%p\n",&ptr); //如果我想知道ptr本身的所在位置，就要加上&
    printf("%i\n",*ptr); // ptr所指向的值，所以會是 10 
    return 0;
}

因為 var 的地址就是 ptr 的值，所以兩個出來的答案一樣。都會是 0x7fff66b03fbc （因為我重新跑第二次，所以記憶體位置跟上一個程式碼不同)；而因為 p 自己也有地址，所以輸入 &ptr 會跑出跟其他兩個不一樣的結果。

字串 char*

還記得之前在 CS50 的環境下，我們使用 String 資料型別就能表示字串嗎？但在 C 語言中，字串是用 char* 來表示的。

讓我們複習一下，字串其實是一個「連續的字元陣列」(array of characters)。當我們使用指標來指向這個字元陣列的開頭地址時，因為字元是連續儲存在記憶體中的，所以指標可以依序存取後續的字元。因此，在 C 語言中，字串的表示方式是使用 char* 指標來指向這個陣列的開頭。

char 指的是一個字符。

#include <stdio.h>

int main() {
    // 定義一個字串，指向 "HI!" 的起始地址，s 已經接受H的地址了。
    char* s = "HI!";
    
    // 使用 printf 來輸出字串
    printf("%s\n", s);
    
    return 0;
}

指標程式碼輸出結果，差別

我用同時輸出各種不同的寫法，去比較他們的差別，讓你更了解指標。

你可以貼以下程式碼跑跑看，看結果有沒有跟你想的一樣。

#include <stdio.h>

int main()
{
    // 定義一個字串，指向 "HI!" 的起始地址，s 已經接受H的地址了。
    char *s = "HI!";

    // 使用 printf 來輸出字串
    printf("%s\n", s);
    // 字串是以連續的陣列組成，所以也可以逐個輸出
    printf("%c\n", s[0]);
    printf("%c\n", s[1]);
    printf("%c\n", s[2]);
    printf("%c\n", s[3]); // 空值
    // 看 s 指向的底址
    printf("%p\n", s);
    // s 「自己」的地址
    printf("%p\n", &s);
    // s 指向的逐個字元的地址
    printf("%p\n", &s[0]);
    printf("%p\n", &s[1]);
    printf("%p\n", &s[2]);
    return 0;
}

如果要得到字串，在沒有用 get_string 的功能，可以用以下的方式實現：

#include <stdio.h>

int main() {
    // 定義一個字元陣列來儲存輸入的字串
    char input[100];  // 這裡的 100 是陣列大小，最多可存 99 個字元 + 1 個結束符號 '\0'
    
    // 提示使用者輸入字串
    printf("請輸入一個字串： ");
    
    // 使用 fgets() 來接收輸入
    fgets(input, sizeof(input), stdin);
    
    // 輸出剛才輸入的字串
    printf("你輸入的字串是：%s", input);
    
    return 0;
}

fgets(input, sizeof(input), stdin);：fgets() 函數會從標準輸入 stdin 中讀取資料，並將結果儲存到 input 陣列中。sizeof(input) 會確保我們不會讀取超過陣列的大小。

字串比較：

現在有兩個字串 s 和 t，我們需要比較它們是否相同。但我們不能直接使用 if(s == t)，因為這樣比較的是字串 s 和字串 t 在記憶體中的地址，而不是它們的內容。

因此，我們需要使用 <string.h> 函式庫中的 strcmp() 函數來進行字串內容的比較。strcmp() 會逐字元比較兩個字串，如果它們相同，則返回輸出相同。

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

int main() {
    // 定義兩個字串
    char *s = get_string("s: ");
    char *t = get_string("t: ");

    // 使用 strcmp() 來比較字串內容
    if (strcmp(s, t) == 0) {
        printf("字串 s 和 t 相同！\n");
    } else {
        printf("字串 s 和 t 不相同！\n");
    }

}

字串複製：malloc()

前面了解到字串是透過指標的方式表示，那如果我要複製相同字串，在複製的字串編輯怎麼辦？

由於字串是用指標表示的，所以當我們要複製字串時，必須先為新的字串分配記憶體空間。這時我們會用到 malloc() 函數來新增空間。當我們不再需要這些空間時，應該使用 free() 來釋放記憶體。

題目：我要把ｔ字串的第一個變大寫，但同時保留ｓ字串。

#include <cs50.h>
#include <ctype.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // 加上才有malloc
#include <string.h>

int main()
{
    char *s = get_string("s: ");
    char *t = malloc(strlen(s) + 1);
     if (t == NULL) {  // 檢查 malloc 是否成功
        printf("記憶體分配失敗！\n");
        return 1;  // 若分配失敗，結束程式
    }

    for (int i = 0, n = strlen(s); i <= n; i++)
    {
        t[i] = s[i]; // 把每個s的值複製到t
    }
    if (strlen(t) > 0)
    {
        t[0] = toupper(t[0]);
    }
    printf("t = %s\n", t);
    printf("s = %s\n", s)
}

以下是我鑽牛角尖問 ChatGPT 的問題：

為什麼我不用 *t 輸出字串，但是我前面要印出10（值） 就要用指標 *ptr 指回去?

我在學習的時候，第一次我輸出字串輸入printf("t = %s\n", *t); 以為 t 是指標變數，所以我就要指回去原來的地方，沒想到輸出的結果只有開頭第一個字母。為什麼會這樣呢？

• 數值變數與指標：
  • 當你有一個 int var = 10; 時，var 是一個存儲整數值的變數。
  • int *ptr = &var; 中，ptr 是一個指向 var 的指標，儲存的是 var 的地址。
  • 當你用 *ptr 時，你告訴程式要「解參考」（dereference），即從 ptr 指向的記憶體地址取得其儲存的值。所以 *ptr 會給你 var 的值（即 10）。

  //參考上面簡介
  printf("%i\n", *ptr); // 輸出10
  

• 字串與指標：
  • 字串在 C 中是字元陣列，而指標（例如 char *s）指向這個字元陣列的第一個字元。
  • 當你輸出字串時，指標 s 指向字串的起始位置，而 printf("%s", s); 「帶我去 s 的位置，並讀取後面的字元，直到遇到字串結尾的 \0（null 結束符號）。
  • 如果寫 printf("%s", *s); 就是「只」讀取第一個位置。
  • 這裡你不需要「解參考」去取值，因為 printf("%s", s); 已經自動處理了字串的輸出。

我可以一開始就寫 int *ptr = var ，並直接 printf("%i", ptr) 嗎？

如果你寫成 int *ptr = var;，會產生編譯錯誤，因為 ptr 期待的是一個地址（pointer），而你給了它一個整數（var 的值）。

咦那為什麼字串就可以用指標變數直接等於字串? 而不用寫 Char* = ＆"hello"?

字串與指標的特別處理：

當你寫 char *s = "hello"; 時，字串 "hello" 其實是在程式運行時被儲存在內存的某個位置，並且編譯器會自動分配一塊連續的記憶體來儲存這個字串。這個記憶體區域的首地址就是字串 "hello" 的地址，而這個地址會被賦值給指標變數 s。

#include <stdio.h>

int main() {
    char *s = "hello";
    printf("%p\n", s);      // 輸出字串 "hello" 的首地址
    printf("%p\n", &s[0]);  // 這也是字串的首地址
    return 0;
}
// 這裡 s 和 &s[0] 是相同的，因為 "hello" 的字元 'h' 的地址被賦給了 s。

關鍵概念：

• 字元陣列：字串常量本質上是一個字元陣列，而在 C 中，陣列的名字本身就代表這個陣列的首地址。也就是說，"hello" 等同於 &"hello"[0]。
• 自動解釋為地址：當你寫 "hello"，C 語言會自動把這個字串的首地址傳遞給 char* 變數，這就是為什麼可以直接用 char *s = "hello";。
• 與整數變數的不同：
• 在整數變數中，變量本身儲存的是一個數值，像 int var = 10;，你需要 &var 來取得它的地址。
• 但字串常數如 "hello" 本身就是地址，所以可以直接賦給指標變數 char *。