第* 章指標與結構

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音雍
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1 ii 序言序 C 語言的最大特色就是指標 (Pointer), 這是個讓人又愛又怕受傷害的主題有一句話是, 學過 C, 而不會指標, 那只能說您看過 C 熟悉指標的人, 會將它比喻是天上那一顆最美的星星, 而讓不懂的人, 頭上會冒星星, 同樣是星星, 但卻有不同的情境指標好難喔, 像無字天書, 不知道該如何學, 從哪一地方開始下手, 有沒有秘訣, 常常有人會對我講這些話, 並問我有沒有好方法可以頓悟它有許多人學到指標時, 便裹足不前基本原因是沒有專書討論指標及與其相關的主題基於此, 便開始規劃, 撰寫一本以指標為核心的書籍, 使得對指標不太懂的人, 可以輕易了解指標的運作原理與其應用, 同時也可以讓已了解的人精益求精, 更進一步探考個中的奧秘現在, 已夢想成真, 從書名精通 C/C++ 指標 : 深入系統底層技術, 就知道它是您學習與深入指標的最佳讀本本書內容精彩無比, 除了對 C/C++ 語言的指標有深入的探討外, 同時也將與指標有異曲同工之妙的 reference 詳加討論, 所以本書不僅有 C 而已, 還包括 C++ 程式語言, 有關 reference 的主題其實不僅 C++ 使用 reference 的概念,Java C# 以及 Python 也是以 reference 達到和 C 語言的指標之功能所以本書也加入 Java C# 以及 Python 這三種程式語言相關議題的討論我們從 C 語言的指標與其息息相關的記憶體基本概念, 開始展開這一次的快樂探險旅程, 其中會經過 : 指標與變數指標與陣列指標與函數指標與字串指標與結構鏈結串列二元搜尋樹指標與檔案處理等刺激關卡, 希望能有效導引讀者進入指標的深層世界同時也會以鏈結串列二元搜尋樹, 檔案的處理等重要的主題, 加以應用於本書所談的其它程式語言, 從而驗證指標與 reference 的相似功能

2 序言 iii 本書的共有六篇, 前五篇分別是當今很紅的程式語言, 分別是 C C++ Java Visual C# 及 Python 第六篇是各種程式語言比較篇, 將 C C++ Java Visual C# 及 Python 等五種程式語言, 在程式語言基本架構上的主題做比較, 希望此篇可以讓您一窺程式語言之美撰寫本書的心情不知為什麼, 雖然很辛苦, 但覺得好愉快, 因為我的期望快實現了, 因為您可以從本書輕輕鬆鬆的了解指標的精髓, 進而加以應用, 並告訴我, 指標是天上閃亮的星星擁護我的讀者不在少數, 有的在國內, 有的在大陸, 因此, 常常會聽到 : 老師, 我是看您的書長大的真的有一種使命感, 要撰寫一些進階有參考價值的書, 本書完成了, 真誠的希望您可以從書中獲取一些知識, 做為您的一技之長再一次的謝謝您的一路的相陪支持與鼓勵, 讓我有動力再出發, 感恩 mjtsai168@gmail.com

3 04 指標與函數 4-1 函數初探 4-2 兩數對調 4-3 再論傳址呼叫 4-4 指向函數的指標 4-5 傳回指標的函數 4-6 除錯題 4-7 問題演練 4-8 程式實作

4 80 Part 1 C 程式語言篇 4-1 函數初探函數 (function) 是執行某一任務的片段程式它的好處是使程式模組化重複使用降低維護成本等功能函數可分為兩種, 一為庫存函數 (library function), 它是編譯器所提供的, 二為使用者自定函數 (user-defined function), 它是由使用者撰寫的本章所討論的是後者函數的呼叫可分為傳值呼叫 (call by value) 與傳址呼叫 (call by address) 傳值呼叫表示實際參數傳給形式參數的是值 (value), 而傳址呼叫則是傳位址 (adddress) 我們先從一簡單的範例談起, 請參閱範例程式 functioncall-5 範例程式 :functioncall /* functioncall-5.c*/ double calaverage(double, double); double x, y, aver; printf(" 請輸入 x 與 y 的浮點數 : "); scanf("%lf %lf", &x, &y); aver = calaverage(x, y); printf("x 與 y 的平均數為 : %.2f\n", aver); double calaverage(double a, double b) double average; average=(a+b)/2; return average;

5 Chapter 4 指標與函數 81 輸出結果請輸入 x 與 y 的浮點數 : x 與 y 的平均數為 : 程式將實際參數 x 與 y 傳送給 calaverage 函數的形式參數 a 與 b, 計算此兩數的平均數, 並指定給 average 變數後, 回傳給主程式的 aver, 最後將它輸出注意! 由於 calaverage 函數的資料型態是 double, 所以函數的回傳值 average 的資料型態也必須是 double 由於 aver 變數用於接收 average 變數值, 所以 aver 的資料型態也必須是 double 由於實際參數傳給形式參數是變數值, 所以稱此為傳值呼叫 4-2 兩數對調指標到底有什好處呢? 我們從兩數對調的運作方式談起, 請參閱範例程式 swaptype 範例程式 :swaptype /* swaptype.c */ void swap_by_address(int *, int *); void swap_by_value(int, int); int x=100, y=200; /* Call by value */ printf("call by value\n"); printf("before swapping...\n"); printf("x=%d, y=%d\n", x, y); swap_by_value(x, y); printf("after swapping...\n"); printf("x=%d, y=%d\n\n", x, y); /* Call by address */ x = 100; y = 200;

6 82 Part 1 C 程式語言篇 printf("call by address\n"); printf("before swapping...\n"); printf("x=%d, y=%d\n", x, y); swap_by_address(&x, &y); printf("after swapping...\n"); printf("x=%d, y=%d\n\n", x, y); void swap_by_value(int a, int b) int temp; temp = a; a = b; b = temp; void swap_by_address(int *a, int *b) int temp; temp = *a; *a = *b; *b = temp; 輸出結果 Call by value Before swapping... x=100, y=200 After swapping... x=100, y=200 Call by address Before swapping... x=100, y=200 After swapping... x=200, y=100

7 Chapter 4 指標與函數 83 從輸出結果得知, 利用傳值呼叫無法達到兩數對調的效果, 但利用傳址呼叫就可以 swap_by_value() 為傳值呼叫函數, 如圖 4-1 所示 : x 10 y 20 a 10 temp b 20 temp = a; a = b; b = temp; 圖 4-1 傳值呼叫而 swap_by_address() 為傳址呼叫函數, 如圖 4-2 所示 : &x &y x a temp b temp = *a; *a = *b; *b = temp; 圖 4-2 傳址呼叫 4-3 再論傳址呼叫接下來, 討論一些常以傳址方式運作的範例找尋陣列中的最大值首先討論如何呼叫一函數, 尋找出陣列的最大值, 如範例程式 findmax 所示

8 84 Part 1 C 程式語言篇範例程式 :findmax /* findmax.c*/ int findmax(int [], int); int i; int arr[] = 20, 10, 100, 40, 60, 80, 90; int elements = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); int maxnumber = findmax(arr, elements); printf("max( "); for(i=0; i<elements; i++) printf("%d ", arr[i]); printf(") is %d\n", maxnumber); int findmax(int x[], int n) int j; int max = x[0]; for(j=1; j<n; j++) if(x[j] > max) max = x[j]; return max; 輸出結果 Max( ) is 100 在 findmax 函數中 ( 第 20~28 行 ),x 陣列其實就是 arr 陣列, 因為此函數的呼叫是傳址呼叫, 將 arr 陣列第一個元素的位址, 指定給 x 陣列 findmax() 函數也可以撰寫成以下的片段程式 :

9 Chapter 4 指標與函數 85 int findmax(int *, int n); /* 函數語法宣告 */ int findmax(int *x, int n) /* 函數定義 */ int j; int max = *x; for(j=1; j<n; j++) if(*(x+j) > max) max = *(x+j); return max; 上述兩種寫法都可以因為 [] 和 * 都是指標我個人比較喜歡使用 * 的方式, 因為它好像天上一顆閃亮的星星加總一維陣列的元素接下來, 討論如何呼叫一函數, 以計算一維陣列元素的總和, 如範例程式 sumofarray1-1 所示範例程式 :sumofarray /* sumofarray1-1.c */ int sum(int [], int); int i; int arr[] = 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100; int elements = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); int total = sum(arr, elements); printf("sum( "); for(i=0; i<elements; i++) printf("%d ", arr[i]); printf(") is %d\n", total);

10 86 Part 1 C 程式語言篇 int sum(int x[], int n) int j, t = 0; for(j=0; j<n; j++) t += x[j]; return t; 輸出結果 Sum( ) is 550 也可以使用另一種方式撰寫之, 如範例 sumofarray1-2 所示範例程式 :sumofarray * sumofarray1-2.c */ int sum(int *, int); int i; int arr[] = 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100; int elements = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); int total = sum(arr, elements); printf("sum("); for(i=0; i<elements; i++) printf("%d ", arr[i]); printf(") is %d\n", total); int sum(int *x, int n) int j, t = 0; for(j=0; j<n; j++) t += *(x+j); return t;

11 Chapter 4 指標與函數 87 輸出結果 Sum( ) is 550 從輸出結果驗證, 使用 t += x[j]; 與 t += *(x+j); 是一樣的加總二維陣列的元素以上是傳送一維陣列, 那二維陣列應如何傳送呢? 我們來探討如何呼叫一函數, 以計算二維陣列的總和, 請參閱範例程式 sumofarray2-1 範例程式 :sumofarray /* sumofarray2-1.c */ int sum(int [][2], int, int); int i, j, row, column, total=0; int arr2[][2] = 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100; int elements = sizeof(arr2)/sizeof(arr2[0][0]); row = elements / 2; column = 2; total = sum(arr2, row, column); printf("there are %d elements in the array\n", elements); printf("sum(\n"); for(i=0; i<row; i++) for (j=0; j<column; j++) printf("%3d ", arr2[i][j]); printf("\n");

12 88 Part 1 C 程式語言篇 printf(") is %d\n", total); int sum(int p2[][2], int n, int m) int i, j, t = 0; for(i=0; i<n; i++) for(j=0; j<m; j++) t += p2[i][j]; return t; 輸出結果 There are 10 elements in the array Sum( ) is 550 另一種方式的寫法, 如範例程式 sumofarray2-2 所示範例程式 :sumofarray /* sumofarray2-2.c */ int sum(int (*p2)[2], int); int i, j, row, column, total = 0; int arr2[][2] = 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100; int elements = sizeof(arr2)/sizeof(arr2[0][0]); row = elements / 2; column = 2;

13 Chapter 4 指標與函數 total = sum(arr2, row); printf("there are %d elements in the array\n", elements); printf("sum(\n"); for(i=0; i<row; i++) for (j=0; j<column; j++) printf("%d ", arr2[i][j]); printf("\n"); printf(") is %d\n", total); getch(); int sum(int (*p2)[2], int n) int i, j, t = 0; for(i=0; i<n; i++) for(j=0; j<2; j++) t += *(*(p2+i)+j); return t; 輸出結果如同範例 sumofarray2-1 我們知道 *p 和 p[] 的表示方法是相通的所以只要將 p2[][2] 改為 (*p2)[2] 就可以了同理, 也驗證以下的式子是相等的 p2[i][j] == *(*(p2+i)+j);

14 90 Part 1 C 程式語言篇 4-4 指向函數的指標指向函數的指標 (pointer to function) 相信有些人從未用過, 或根本沒聽過, 指標怎麼會和函數有關連呢? 指向指標的函數可使得程式在應用上顯得更為靈活, 當您要使用哪一函數, 只要將指標指向此函數即可, 其實就是將函數名稱設定給一指標, 因為函數名稱是一位址 ( 當然是在記憶體的位址 ), 在未進入此主題時, 讀者須分辨 int *pf(int); - 與 int (*pf)(int); - 是不一樣的, 其中表示 pf 是一函數, 此函數有一參數為 int 型態, 且會回傳一指向 int 的指標, 下一節將詳加討論而為 pf 是一指向某一函數的指標, 此函數最後回傳 int 值在處理指向函數指標時, 有一些需要特別注意的地方 : int add(int, int); int (*pf)(int, int); pf = add; 因為 add 函數有 2 個參數, 故 pf 指標也要有 2 個參數才能匹配以下是不正確的使用方法 : double add1(double, double); int add2(int); int (*pf)(int, int); pf = add1; /* 錯, 因為兩者函數之參數的資料型態不同 */ pf = add2; /* 錯, 因為兩者函數之參數的個數不同 */ 有了以上的認知後, 咱們來研究範例程式 pointertofunction 做了什麼事範例程式 :pointertofunction /* pointertofunction.c */ int add(int, int); int substract(int, int);

15 Chapter 4 指標與函數 int multiply(int, int); int divide(int, int); int (*operation)(int, int); int x, y, output; printf(" 請輸入 x 與 y: "); scanf("%d %d", &x, &y); operation = add; output = (*operation)(x, y); printf("%d + %d = %d\n", x, y, output); operation = substract; output = (*operation)(x, y); printf("%d - %d = %d\n", x, y, output); operation = multiply; output = (*operation)(x, y); printf("%d * %d = %d\n", x, y, output); operation = divide; output = (*operation)(x, y); printf("%d / %d = %d\n", x, y, output); int add(int a, int b) return a+b; int sub(int a, int b) return a-b; int multiply(int a, int b)

16 92 Part 1 C 程式語言篇 return a*b; int divide(int a, int b) return a/b; 輸出結果請輸入 x 與 y: = = * 2 = / 2 = 50 程式中有四個函數分別處理加 (add) 減(sub) 乘(multiply) 除(divide), 同時也宣告一指向函數的指標 operation, 當要處理加法時, 則將 add 指定給 operation 同理, 要處理乘法, 也只要將 multiply 指定給 operation 便可, 以此類推程式要求使用者輸入二個數值 x y, 並將其結果存放於 output 4-5 傳回指標的函數前面曾提及 int *pf(int); 它是一回傳指標的函數 (function returns a pointer), 其表示 pf 是一函數, 此函數有一個參數, 而且會回傳一指向 int 的指標請參閱範例程式 functionretpointer 範例程式 :functionretpointer /* funtionretpointer.c */ int *pf(int [], int); #define MAX 5

17 Chapter 4 指標與函數 int k[max]; int total=0, n; int i[max] = 10, 20, 30, 40, 50; int *ptr; ptr = pf(i, MAX); printf("ptr = %#x\n\n", ptr); printf("sum of (\n"); for(n=0; n<max; n++) printf("k[%d] = %d \n", n, *(ptr+n)); total += *(ptr+n); printf(") is %d\n", total); int *pf(int x[], int n) int m; int j[] = 100, 200, 300, 400, 500; for(m=0; m<n; m++) k[m] = j[m]+x[m]; printf("k[%d] = %d\n", m, k[m]); printf("k = %#x\n", k); return k; 輸出結果 k[0] = 110 k[1] = 220 k[2] = 330 k[3] = 440 k[4] = 550 k = 0x1030

18 94 Part 1 C 程式語言篇 ptr = 0x1030 Sum of ( k[0] = 110 k[1] = 220 k[2] = 330 k[3] = 440 k[4] = 550 ) is 1650 程式中有一函數的原型宣告, 如下所示 : int *pf(int [], int); 此表示 pf 是一函數, 有兩個參數, 而且會回傳一指向 int 的指標程式中的 k 是陣列名稱, 表示陣列第一個元素的位址當 pf 函數結束時, 將回傳 k 給 main 函數的 ptr 指標變數, 使得 ptr 是一指向 k 陣列第一個元素的位址, 亦即 ptr 等同於 &k[0] ( 從輸出結果得知為 0x1030)

19 Chapter 4 指標與函數除錯題小蔡老師出了以下程式, 要請大家一起來 Debug 1. /* sumofarraybugs-1.c */ int sum(int *, int); int i; int arr[] = 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100; int elements = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); int total = sum(arr, elements); printf("sum("); for(i=0; i<elements; i++) printf("%d ", arr[i]); printf(") is %d\n", total); int sum(int *x, int n) int j, t=0; for(j=0; j<n; j++) t += *(x); return t; 2. /* sumofarraybugs-2.c */ int sum(int *, int); int i; int arr[] = 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100; int elements = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); int total = sum(arr, elements); printf("sum(");

20 96 Part 1 C 程式語言篇 for(i=0; i<elements; i++) printf("%d ", arr[i]); printf(") is %d\n", total); int sum(int *x, int n) int j, t=0; for(j=0; j<n; j++) t += *(x+j); return t; 3. /* sumofarray2-1-bugs.c */ int sum(int [][2], int, int); int i, j, row, column, total=0; int arr2[][2] = 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100; int elements = sizeof(arr2)/sizeof(arr2[0][0]); row = elements / 2; column = 2; total = sum(arr2, row, column); printf("there are %d elements in the array\n", elements); printf("sum(\n"); for(i=0; i<row; i++) for (j=0; j<column; j++) printf("%3d ", arr2[i][j]); printf("\n"); printf(") is %d\n", total); int sum(int p2[][], int n, int m) int i, j, t=0;

21 Chapter 4 指標與函數 97 for(i=0; i<n; i++) for(j=0; j<m; j++) t += p2[i][j]; return t; 4. /* sumofarray2-2-bugs.c */ int sum(int *p[2], int); int i, j, row, column, total=0; int arr2[][2] = 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100; int elements = sizeof(arr2)/sizeof(arr2[0][0]); row = elements / 2; column = 2; total = sum(arr2, row); printf("there are %d elements in the array\n", elements); printf("sum(\n"); for(i=0; i<row; i++) for (j=0; j<column; j++) printf("%3d ", arr2[i][j]); printf("\n"); printf(") is %d\n", total); int sum(int *p2[2], int n) int i, j, t=0; for(i=0; i<n; i++) for(j=0; j<2; j++) t += *(*(p2+i)+j); return t;

22 98 Part 1 C 程式語言篇 5. /* functionretpointer-bugs.c */ int *pf(int [], int); #define MAX 5 int total = 0, k; int i[max] = 10, 20, 30, 40, 50; int *ptr; ptr = pf(i, MAX); printf("ptr=%p\n\n", ptr); printf("sum of (\n"); for(k=0; k<max; k++) printf("k[%d]=%d \n", k, *(ptr+k)); total += *(ptr+k); printf(") is %d\n", total); int *pf(int x[], int n) int m; int k[max]; int j[] = 100, 200, 300, 400, 500; for(m=0; m<n; m++) k[m] = j[m] + x[m]; printf("k[%d]=%d\n", m, k[m]); printf("k=%p\n", k); return k;

23 Chapter 4 指標與函數問題演練 1. 試申述下列敘述的意義 : (a) int (*p)(int); (b) int *p(int); 4-8 程式實作 1. 請先定義一含有十個資料的一維陣列, 再利用傳址方式將此陣列,(1) 傳給 input 函數, 以便輸入資料,(2) 傳給 total 函數, 計算此陣列元素的和, 之後將總和回傳 2. 請先定義一含有八個資料的二維陣列 (2 列 4 行 ), 再利用傳址方式將此陣列,(1) 傳給 input 函數, 以便輸入資料,(2) 傳給 total2 函數, 計算此陣列元素的和, 之後將總和回傳 3. 撰寫兩種排序的方法, 如氣泡排序與插入排序, 之後以 4-4 節所論及指向函數的指標之方法, 撰寫一主程式分別呼叫這兩個函數 4. 試以第三章的命令列引數, 在命令列提示字元的模式下, 將一陣列的資料以氣泡排序加以排序之 sort r 或 sort -a r 表示以降幕 ( 由大至小 ) 的方式排序之,a 則表示以升幕 ( 由小至大 ) 的方式排序之

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Microsoft Word - part doc 3 指標與陣列 3-1 指標與一維陣列 3-2 指標與二維陣列 3-3 陣列指標 3-4 為什麼 parr 等同於 *parr? 3-5 指向陣列的指標 3-6 多重指標 3-7 命令列引數 3-8 除錯題 3-9 問題演練 3-10 程式實作 32 Part 1 C 程式語言篇指標其實就是一位址陣列的名稱, 表示此陣列第一個元素的位址, 所以它也是指標由此可知, 指標與陣列的關係是很密切的

第* 章 指標與結構

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