【C++ 筆記】指標（Pointer）（上） - part 10

很感謝你點進來這篇文章。

你好，我並不是什麼 C++、程式語言的專家，所以本文若有些錯誤麻煩請各位鞭大力一點，我極需各位的指正及指導！！本系列文章的性質主要以詼諧的口吻，一派輕鬆的態度自學程式語言，如果你喜歡，麻煩留言說聲文章讚讚吧！

指標（Pointer）

在講指標之前，我們都知道變數具有「值（value）」、「資料型態（Data Type）」、「記憶體位址（Memory Address）」三種特性。

我們要存取變數的記憶體位址，需要使用「&」符號加在變數名前面獲取，如下：

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&variable

透過以下範例，可以知道變數的記憶體位址如何獲取：

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#include <iostream>
using namespace std;

int main(){
    int a = 0;
    cout << &a;
    return 0;
}

輸出結果：

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0x7ffdd306c874

:::success
問題來了，指標是啥呢？
:::

指標（Pointer），又稱為指針，是一個變數，可以用於儲存特定記憶體位址。

所以指標就是專門存記憶體位址的變數，存誰的？當然是其他變數的阿！

語法：

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type *ptr;

註1：指標的資料型態無論如何都一樣，其記憶體位址都表示成十六進位。但不同資料型態的指標，差異是指標所指向的變數或常數的資料型態不同。

註2：提取（Dereference）運算子 *，用來提取指標儲存位址處的物件。

以下是一個範例：

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#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int number = 10;       // 整數型態變數
    int* ptr = &number;    // 指標 ptr 指向 number 的記憶體位址

    // 顯示變數與指標的基本資訊
    cout << "number 的值: " << number << endl;
    cout << "number 的記憶體位置: " << &number << endl;
    cout << "ptr 的值 (儲存的記憶體位置): " << ptr << endl;
    cout << "ptr 指向的值 (*ptr): " << *ptr << endl;

    // 用指標修改 number 的值
    *ptr = 20;
    cout << "用指標修改後的 number 值: " << number << endl;

    return 0;
}

輸出結果：

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number 的值: 10
number 的記憶體位置: 0x61fe14
ptr 的值 (儲存的記憶體位置): 0x61fe14
ptr 指向的值 (*ptr): 10
用指標修改後的 number 值: 20

Null 指標（Null Pointer）

變數宣告時，若沒精確的地址可以指定，替指標變數賦予一個 NULL 值是良好的習慣。其名為空指標。

NULL 指標是定義在標準函式庫中的值為零的常數。

如下範例：

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#include <iostream>

using namespace std;

int main ()
{
   int  *ptr = NULL;

   cout << "ptr 的值是 " << ptr ;
 
   return 0;
}

輸出結果：

1
ptr 的值是 0

來源：https://www.runoob.com/cplusplus/cpp-null-pointers.html

C++ NULL 指標應用

  1. 初始化（Initialization）：將指標初始化為空值（nullptr）是一個良好的習慣，因為這可以避免未定義行為，並明確表示指標尚未指向有效的記憶體位置。
  2. 預設值（Default Values）：當指標尚未分配有效的記憶體地址時，空指標可作為指標的預設值或初始值。
  3. 錯誤處理（Error Handling）：空指標在錯誤條件下或用於表示資料缺失時非常有用，有助於更好地處理例外情況。
  4. 資源釋放（Resource Release）：在釋放資源（例如類別的解構函數）或刪除後將指標設為空值（nullptr），可避免意外使用或存取已釋放的記憶體。
  5. 哨兵值（Sentinel Values）：空指標可以用來表示資料結構或清單的結尾。例如，在鏈結串列中，最後一個節點的「下一個節點」欄位通常是一個空指標。

C++ NULL 指標缺點

  • 提取（dereference）空指標會導致未定義行為（undefined behavior），可能引發執行時錯誤，例如記憶體區段錯誤（segmentation fault）。
  • 在提取空指標之前，需要明確檢查是否為空指標，才能避免未定義行為。

Source：https://www.geeksforgeeks.org/null-pointer-in-cpp/

至於這點，可以透過條件判斷的方式避免此類型錯誤：

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if(ptr) /* 如果 ptr 非空，則完成 */
if(!ptr) /* 如果 ptr 為空，則完成 */

以下是菜鳥教程的解釋：

在大多數的作業系統上，程式不允許存取位址為 0 的記憶體，因為該記憶體是作業系統保留的。然而，記憶體位址 0 有特別重要的意義，它表明該指標不指向一個可存取的記憶體位址。但按照慣例，如果指標包含空值（零值），則假定它不指向任何東西。

因此，如果所有未使用的指標都被賦予空值，同時避免使用空指標，就可以防止誤用一個未初始化的指標。很多時候，未初始化的變數存有一些垃圾值，導致程式難以調試。

指標的算術運算（Pointer Arithmetic）

指標是一個用數值表示的位址。因此，您可以對指標執行算術運算。指標可以進行四種算術運算：++、—、+、-。

遞增指標範例

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#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int arr[] = {10, 20, 30, 40, 50};
    int size = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); // 計算陣列的大小

    // 定義指標指向陣列的第一個元素
    int* ptr = arr;

    cout << "指標逐一存取陣列元素：" << endl;

    // 用指標逐一存取陣列元素
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        cout << "元素 " << i << ": " << *ptr << endl;
        ++ptr; // 將指標遞增，指向下一個元素
    }

    // 重新將指標指向陣列起始位置
    ptr = arr;

    cout << "\n指標修改陣列元素的值：" << endl;

    // 用指標修改陣列元素的值
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        *ptr += 5; // 將每個元素的值加 5
        cout << "元素 " << i << " 新值: " << *ptr << endl;
        ++ptr; // 將指標遞增，指向下一個元素
    }

    return 0;
}

輸出結果：

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指標逐一存取陣列元素：
元素 0: 10
元素 1: 20
元素 2: 30
元素 3: 40
元素 4: 50

指標修改陣列元素的值：
元素 0 新值: 15
元素 1 新值: 25
元素 2 新值: 35
元素 3 新值: 45
元素 4 新值: 55

遞增、遞減指標範例

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#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int numbers[] = {10, 20, 30, 40, 50};
    int size = sizeof(numbers) / sizeof(numbers[0]);

    // 定義指標指向陣列的開頭
    int* ptr = numbers;

    cout << "原始陣列：" << endl;
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        cout << numbers[i] << " ";
    }
    cout << endl;

    // 指標進行遞增操作
    cout << "指標遞增存取陣列內容：" << endl;
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        cout << *ptr << " ";
        ++ptr; // 指向下一個元素
    }
    cout << endl;

    // 指標重置到陣列的尾端
    ptr = numbers + size - 1;

    // 指標進行遞減操作
    cout << "指標遞減存取陣列內容：" << endl;
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        cout << *ptr << " ";
        --ptr; // 指向前一個元素
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

輸出結果：

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原始陣列：
10 20 30 40 50
指標遞增存取陣列內容：
10 20 30 40 50
指標遞減存取陣列內容：
50 40 30 20 10

指標比較（Comparison of Pointer）

  • 相等比較：用運算子「==」、「!=」
  • 關係比較：用運算子「<」、「>」、「<=」、「>=」

以下是有關相等與不相等的比較範例：

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#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 10, b = 20, c = 10;

    // 宣告三個指標, 指向這些變數
    int* ptr1 = &a;
    int* ptr2 = &b;
    int* ptr3 = &c;

    // 顯示變數的地址
    cout << "地址:\n";
    cout << "a 的地址: " << &a << endl;
    cout << "b 的地址: " << &b << endl;
    cout << "c 的地址: " << &c << endl;

    // 比較指標相等與不相等
    cout << "\n指標比較:\n";
    if (ptr1 == ptr2) {
        cout << "ptr1 和 ptr2 指向相同的地址\n";
    } else {
        cout << "ptr1 和 ptr2 指向不同的地址\n";
    }

    if (ptr1 == ptr3) {
        cout << "ptr1 和 ptr3 指向相同的地址\n";
    } else {
        cout << "ptr1 和 ptr3 指向不同的地址\n";
    }

    // 修改 ptr3 指向 a
    ptr3 = &a;

    cout << "\n修改 ptr3 後的比較:\n";
    if (ptr1 == ptr3) {
        cout << "ptr1 和 ptr3 現在指向相同的地址\n";
    } else {
        cout << "ptr1 和 ptr3 指向不同的地址\n";
    }

    return 0;
}

輸出結果：

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地址:
a 的地址: 0x7ffee1dba88c
b 的地址: 0x7ffee1dba88d
c 的地址: 0x7ffee1dba88e

指標比較:
ptr1 和 ptr2 指向不同的地址
ptr1 和 ptr3 指向不同的地址

修改 ptr3 後的比較:
ptr1 和 ptr3 現在指向相同的地址

以下是有關大小比較的範例：

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#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int arr[5] = {10, 20, 30, 40, 50};

    // 宣告指標, 指向陣列的不同元素
    int* ptr1 = &arr[1]; // 指向 arr[1]
    int* ptr2 = &arr[3]; // 指向 arr[3]

    // 顯示指標指向的地址與值
    cout << "指標資訊:\n";
    cout << "ptr1 指向的地址: " << ptr1 << ", 值: " << *ptr1 << endl;
    cout << "ptr2 指向的地址: " << ptr2 << ", 值: " << *ptr2 << endl;

    // 比較指標大小
    cout << "\n指標比較:\n";
    if (ptr1 < ptr2) {
        cout << "ptr1 指向的地址小於 ptr2 指向的地址\n";
    } else if (ptr1 > ptr2) {
        cout << "ptr1 指向的地址大於 ptr2 指向的地址\n";
    } else {
        cout << "ptr1 和 ptr2 指向相同的地址\n";
    }

    // 顯示指標 <= 和 >= 比較
    cout << "\n更多比較:\n";
    if (ptr1 <= ptr2) {
        cout << "ptr1 的地址小於或等於 ptr2 的地址\n";
    }
    if (ptr2 >= ptr1) {
        cout << "ptr2 的地址大於或等於 ptr1 的地址\n";
    }

    // 進一步操作指標, 改變其指向
    ptr1 = &arr[3]; // 將 ptr1 指向 arr[3]
    cout << "\n修改 ptr1 後的比較:\n";
    if (ptr1 == ptr2) {
        cout << "現在 ptr1 和 ptr2 指向相同的地址\n";
    } else {
        cout << "現在 ptr1 和 ptr2 指向不同的地址\n";
    }

    return 0;
}

輸出結果：

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指標資訊:
ptr1 指向的地址: 0x7ffee6b93010, 值: 20
ptr2 指向的地址: 0x7ffee6b93018, 值: 40

指標比較:
ptr1 指向的地址小於 ptr2 指向的地址

更多比較:
ptr1 的地址小於或等於 ptr2 的地址
ptr2 的地址大於或等於 ptr1 的地址

修改 ptr1 後的比較:
現在 ptr1 和 ptr2 指向相同的地址

指標仍有許多相關的應用，本次筆記先至此結束，避免篇幅過長。

總結

本文介紹了 C++ 中的指標（Pointer），包括指標的基本概念、使用方法及相關運算，並探討空指標（Null Pointer）及其應用。

指標的基本概念

  • 指標（Pointer）：指標是一種變數，用於儲存其他變數的記憶體位址。其語法為 type *ptr;。
  • 記憶體位址獲取：使用 & 符號來獲取變數的記憶體位址。
  • 提取運算子（Dereference）：* 用於提取指標所指向的值。

空指標（Null Pointer）

  • 定義：其值為 NULL，表示不指向任何有效的記憶體位址。
  • 應用：
    1. 初始化：將指標初始化為空值來避免未定義行為。
    2. 錯誤處理：用於表示資料缺失或錯誤情況。
    3. 資源釋放：在釋放資源後將指標設為空值以避免意外使用。

指標算術運算

指標可以進行算術運算，如遞增（++）、遞減（—）、加法和減法，可以方便的遍歷陣列元素。

指標比較

指標可以進行相等比較（==, !=）和關係比較（如 <, >）。

參考資料

C++ 指针的算术运算 | 菜鸟教程

C++ Pointer Arithmetic - GeeksforGeeks

指標與位址

C++ Pointers - GeeksforGeeks

NULL Pointer in C++ - GeeksforGeeks

C++ 指针 | 菜鸟教程

C++ Null 指针 | 菜鸟教程