16. 指標與陣列

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在C語言中，因為陣列是記憶體中連續的一塊空間，因此我們也可以透過指標來存取儲存在陣列中的資料。本章將說明如何使用指標來存取陣列中的元素，並進一步探討指標與陣列的關係。

考慮以下的程式碼：

int data[10]={1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
 
int i;
 
printf("data at %p.\n", data);
for(i=0;i<10;i++)
{
   printf("data[%d] at %p. \n", i, &data[i]);
}

其執行結果為：

data at 0x7fffb0aad1e0.
data[0] at 0x7fffb0aad1e0.
data[1] at 0x7fffb0aad1e4.
data[2] at 0x7fffb0aad1e8.
data[3] at 0x7fffb0aad1ec.
data[4] at 0x7fffb0aad1f0.
data[5] at 0x7fffb0aad1f4.
data[6] at 0x7fffb0aad1f8.
data[7] at 0x7fffb0aad1fc.
data[8] at 0x7fffb0aad200.
data[9] at 0x7fffb0aad204.

上述的程式碼宣告並在記憶體內配置了一塊連續十個整數的陣列，並且將其位址配置印出。由於陣列是連續的空間配置，在上面的例子中，data位於0x7fffb0aad1e0，那麼其第一筆資料(也就是data[0])就是位於同一個位址，或者更詳細的說，是從0x7fffb0aad1e0~3，這四個記憶體位址。由於一個位址代表一個byte，四個bytes就剛好表示一個32位元的整數。其後的每筆資料也都剛好間隔4個bytes。

我們可以用一個指標指向陣列的第一筆資料：

int *p;
 
p = &data[0];
 
或是
 
p = data;
 
或者
 
p = &data;  // 這行會有編譯的警告，因為p應該要指向一個整數，但data其實只是一個陣列所在的記憶體位址
 
p = (int *)&data; // 這樣就沒問題了

上述的程式碼宣告了一個整數指標p指向陣列所在之處，如figure 1。

Fig. 1

我們可以透過「*p」來存取data[0]的數值資料。如果我們要使用指標p來存取陣列中別的元素，例如第3筆資料(也就是data[2])，則可以用：

printf("%d\n", *(p+2) ); // 這行程式中的*(p+2)就等於 data[2];

考慮到p目前指向的是0x7fffb0aad1e0，也就是data[0]所在的位址。p+2並不會等於0x7fffb0aad1e0+2，而是等於0x7fffb0aad1e0 + 2*sizeof(int)，因為操作的對象p是一個指向整數的指標，因此若對它進行加法的運算，其運算單位是以整數的大小為依據，所以p+2會等於0x7fffb0aad1e8，這也就是data[2]所在的位址。

指標除了可以進行加法的運算外，也可以進行減法的運算：

int *p;
int *q;
 
p=&data[5];
q = p-2;  // q現在指向data[3]
p -= 3;   // p現在指向data[2]

前面提到，指標的運算是以其參考型態的大小為依據。當運算元皆是指標時，其運算結果也是會轉換為其參考型態的大小間的差距：

int i;
p = &data[5];
q = &data[2];
 
i = p - q; // i的值為3
i = q - p; // i的值為-3

指標還可以使用relational operators(包含<, < =, ==, >=, >, !=)進行比較，依指標值其比較結果可以為0(不成立時)或1(條件成立時)。

p = &data[5];
q = &data[2];
 
if( p > q )
   printf("The position of p is after that of q.\n");
if( *p > *q)
   printf("The value of p is larger than that of q.\n");

下面的程式，配合迴圈的使用，利用指標來將陣列中每個元素都拜訪一次：

#include <stdio.h>
 
int main()
{
  int data[10]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
 
  int i;
  int *p;
 
  p=&data[0];
  for(i=0;i<10;i++)
    printf("data[%d]=*(p+%d)=%d \n", i, i, *(p+i));
 
  return 0;
}

當然，我們也可以直接用指標來操作:

#include <stdio.h>
 
#define Size 10
 
int main()
{
  int data[Size]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
 
  int i;
  int *p;
 
  p=&data[0];
  for(p=&data[0];p<&data[Size];p++)
    printf("%d \n", *p);
 
  return 0;
}

改用while迴圈，並配合「++」更新指標：

 p=&data[0];
  while (p<&data[Size])
  {
    printf("%d \n", *p++);
  }

我們也可以直接把陣列當成一個指標來使用：

#include <stdio.h>
 
#define Size 10
 
int main()
{
  int data[Size]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
  int i;
 
  for(i=0;i<Size;i++)
    printf("%d\n", *(data+i) );
 
  printf("\n");
 
  int *p;
  for(p=data;p<data+Size;p++)
    printf("%d \n", *p);
 
  return 0;
}

當然，也可以指標當成陣列來使用：

  int data[Size]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
  int *p = data;
  int i;
 
  for(i=0;i<Size;i++)
    printf("%d\n", p[i]);
 
  printf("\n");
 
  int *p;
  for(p=data;p<data+Size;p++)
    printf("%d \n", *p);
 
  return 0;
}

本節以指標操作一些常見的陣列處理：

#include <stdio.h>
 
#define Size 10
 
int main()
{
  int data[Size]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
 
  int i;
  int *p;
  int sum=0,sum2=0;
 
  for(p=&data[0];p<&data[Size];p++)
  {
    sum += *p;
  }
  printf("sum = %d\n", sum);
 
  while(p>=(int *)&data)
  {
    sum2+= *p--;
  }
  printf("sum2 = %d\n", sum2);
 
  return 0;
}

#include <stdio.h>
 
#define Size 10
 
int main()
{
  int data[Size]={321,432,343,44,55,66,711,84,19,610};
 
  int i;
  int *p;
  int max, max2;
 
  max = *(p = &data[0]);
  for( ; p<&data[Size]; p++)
     max = (max < *p) ? *p : max;
/*  {
    if( max < *p)
      max = *p;
  }*/
 
  printf("max = %d \n", max);
 
  return 0;
}

#include <stdio.h>
 
#define Size 10
 
int main()
{
  int data[Size]={3451,25,763,3454,675,256,37,842,3439,510};
 
  int *p, *q;
 
  for(p=&data[0];p<&data[Size-1];p++)
    for(q=p+1; q < &data[Size]; q++)
      if(*p<*q)
      {
        int temp = *p;
        *p = *q;
        *q = temp;
      }
 
  for(p=&data[0];p<&data[Size];p++)
    printf("%d \n", *p);
 
  return 0;
}

在函式的設計上，可以陣列做為引數。請參考下面的例子：

int sum( int a[], int n)
{
   int i=0, s=0;
   for(;i<n;i++)
   {
      s+=a[i];
   }
   return s;
}

在上面的例子中，我們設計了一個可以計算陣列中元素和的函式。我們可以下面方式呼叫此函式：

int data[10]={12,522,43,3423,23,21,34,22,55,233};
int summation = 0;
...
 
summation = sum(data,10);

由於陣列與指標可互相轉換的特性，前述的函式也可改成：

int sum( int *a, int n)
{
   int i=0, s=0;
   for(;i<n;i++)
   {
      s+=a[i];
   }
   return s;
}

同樣地，在呼叫時也可以用下列的方法：

summation = sum( &data[0], 10);
或者
summation = sum( (int *)&data, 10);

另外，也可以使用

summation = sum( &data[3], 5 );

來計算從陣列第4筆元素開始，往後5筆的和。

本節以二維陣列為例，探討指標與多維陣列的關係。請參考以下的例子：

#include <stdio.h>
 
#define ROW 3
#define COL 5
 
int main()
{
  int data[ROW][COL];
 
  int i, j;
 
  for(i=0;i<ROW;i++)
    for(j=0;j<COL;j++)
      data[i][j]= i*COL+j;
 
 
  for(i=0;i<ROW;i++)
  {
    for(j=0;j<COL;j++)
    {
      if(j>0)
        printf(", ");
      printf("%3d", data[i][j]);
    }
    printf("\n");
  }
 
  return 0;
}

在這個例子中，我們宣告了一個ROWxCOL(3×5)的二維陣列，給定其初始值後將陣列內容輸出。一般而言，我們可以將二維陣列視為一個二維的表格，如figure 2所示。

Fig. 2

我們可以宣告一個指標，來存取這個二維陣列，例如：

  int (*p)[COL];
 
  i = 0;
 
  for(p=&data[0]; p<&data[ROW] ; p++)
  {
    for(j=0;j<COL;j++)
    {
      (*p)[j] = i*COL+j;
    }
    i++;
  }

但其實在記憶體的配置上，仍是以連續的空間進行配置的，如figure 3所示。

Fig. 3

請試著寫一個程式，輸出一個二維陣列各個元素的記憶體位址，來驗證上述的說法。

所以，同樣的初始值給定的程式碼也可以改寫如下：

  int *p;
 
  for(i=0, p=&data[0][0]; p<= &data[ROW-1][COL-1];i++, p++)
    *p = i;

如果要單獨取出二維陣列中的第i列(row)，那麼可以下列程式碼完成：

p = &data[i][0];
 
或者
 
p = data[i];

但是若要取回二維陣列中的某一行(column)，那麼又該如何呢？留給同學做練習吧！