【原創】淺談指標（二）

計算機知識雜談發表於2021-10-04
指標

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前言

最近，指標確實逐漸淡出我們的生活了。但是，指標又是必不可少的，它在日常程式設計中又有著很大的作用。曾經noip初賽的閱讀程式寫結果，還經常考指標題，以及函式的傳參機制，例如*a++這個語句。然而近兩年，這些題目也不再出現了。
指標其實是C++中一個非常值得深究的語法。到目前為止，可能說，沒有人能夠完全理解指標。我們所學的，只是指標中，極小的一部分。
好了，讓我們開始吧，繼續今天的指標學習。

函式的傳參機制

現在，讓我們輸入兩個數，將兩數反轉後輸出。可能有人會問，標準庫不是有一個swap函式嗎？那好，我們就自己寫一個swap函式。

#include<iostream>
using namespace std;
void Swap(int a,int b){
    int temp=a;a=b;b=temp;
}
int main(){
  int a,b;
  cin>>a>>b;
  Swap(a,b);
  cout<<a<<" "<<b;
  return 0;
}

那好，我們來執行吧。輸入：4 5
輸出：4 5

看來這個函式有點問題啊，沒有交換變數的值。我們嘗試把他寫進主函式，像是這樣：

#include<iostream>
using namespace std;
//void Swap(int a,int b){
//    int temp=a;a=b;b=temp;
//}
int main(){
  int a,b;
  cin>>a>>b;
  //Swap(a,b);
  int temp=a;a=b;b=temp;
  cout<<a<<" "<<b;
  return 0;
}

這樣輸出是正常的，這就奇怪了，為什麼沒有交換變數的值呢？

我們來做個實驗。執行下面程式碼，看看它會輸出什麼？

#include<iostream>
using namespace std;
void Swap(int a,int b){
    int temp=a;a=b;b=temp;
    cout<<&a<<" "<<&b<<endl;
}
int main(){
  int a,b;
  cin>>a>>b;
  Swap(a,b);
  //int temp=a;a=b;b=temp;
  cout<<&a<<" "<<&b<<endl;
  return 0;
}

我在wandbox線上編譯器執行了這個程式碼，輸出是：
0x7ffdaa89e65c 0x7ffdaa89e658
0x7ffdaa89e68c 0x7ffdaa89e688

在菜鳥線上編譯器的輸出：
0x7ffd6da5b4fc 0x7ffd6da5b4f8
0x7ffd6da5b52c 0x7ffd6da5b528

可以看到，在多個編譯器中，輸出的main函式中ab的地址和swap函式中ab地址是不同的。既然它們被儲存在不同的地址，swap函式中的ab交換了，但是main函式的ab沒有交換。
就像某個上司讓他的部下交換他檔案櫃的檔案，但是上司給部下的檔案是檔案櫃中的影印件，那麼那位部下無論怎麼做，都無法把檔案櫃的檔案交換。這是同樣的道理。
那我們怎麼辦呢？我們可以嘗試用指標解決這個問題。這是唯一的方法。
（更準確的說，使用引用同樣可以解決問題，引用會在下一章予以介紹）

#include<iostream>
using namespace std;
void Swap(int *a,int *b){
    int temp=*a;*a=*b;*b=temp;
}
int main(){
  int a,b;
  cin>>a>>b;
  Swap(&a,&b);
  cout<<a<<" "<<b<<endl;
  return 0;
}

我們如果向swap函式傳遞a和b的地址，那麼，swap裡面的a和b，其實就是main裡面的a和b。這樣一來，就可以交換了。如果那個上司告訴了他的部下檔案櫃的地址，那麼部下就可以根據地址，找到櫃子裡的檔案，自然也就可以交換櫃子裡的檔案了。
有沒有發現，這裡swap函式中，引數是傳遞的地址，那麼引數前必須加&號。想起來了嗎？scanf也是這樣寫的！實際上，scanf也使用了指標的機制！

連結串列

struct LIST{
    int n;
    struct LIST* next;
};

連結串列中，需要知道下一個元素的地址才能進行查詢下一個元素。因此，需要把指標作為結構體成員。最後一個元素的next置放NULL，通知程式“後面已經沒有元素了”。
如果要查詢節點s的下一個元素，就是(*s).next，注意括號雖然麻煩但是不可省略。
當然，還有一種簡寫形式，即
(*s).next=s->next

如果要刪除元素，我們可以這樣執行：

LIST *x=s->next;
s->next=s->next->next;
free(x);

連用了兩次結構體運算子->。

函式指標

上一篇文章說過，程式是儲存在記憶體中的，自然也可以使用指標指向我們的程式中的函式。這種指標稱作函式指標。

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int f(int a){
    printf("a..%d",a);
}
int (*p)(int a);
int main(){
    p=f;
    (*p)(5);
}

int (*p)(int a);一句表示宣告一個叫做a的函式指標。有人會問，這是指向函式的指標，先把表示指標的*號使用括號括起來是不是很奇怪？事實上，由於表示函式的()優先順序比*高，如果不加括號，
int *p(int a);

編譯器會把它當作一個返回值是int*的函式p。就不是函式指標了。

把函式指標當作引數使用

stdlib.h中，有一個函式atexit，作用是“當程式正常退出時執行這一函式”。程式例項：

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
void f(){
    cout<<"Hello, World!";
}
int atexit(void (*func)(void));
int main(){
    atexit(f);
    return 0;
}

其中，atexit的引數就是一個函式指標，將地址f賦值給了atexit的引數地址func，在結束時執行f。
順便一提，既然函式可以看成指標，那麼能否對其執行取數值操作呢？使用*運算子可以取到地址的數值。答案是不能。在表示式中，如果對函式地址前新增*號，f暫時會變成函式。但由於在表示式中，它又會變為“指向函式的指標”。也就是說，這種情況下，對函式用*運算子無意義。
因此，

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main(){
    (********printf)("hello");
    return 0;
}

這樣的操作也能輸出hello。

從1開始的陣列

眾所周知，C++的陣列從0開始，但是使用某些指標的技巧，可以使陣列下標從1開始計數。

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int a[10];
int *p;
int main(){
    p=&a[-1];
    for(int i=1;i<=10;i++)cin>>p[i];
    for(int i=1;i<=10;i++)cout<<p[i]<<" ";
}

程式把p指向了不存在的元素a[-1]，這樣，p[1]等於a[0]，p[10]等於a[9]，就可以讓下標從1到10計算了。
當然，這個程式違反了C標準，標準規定指標只能指向陣列內的元素和陣列最後元素的下一個元素，其他情況均屬於未定義（這與是否發生讀寫無關）。至於為什麼標準允許讓指標指向陣列最後元素的下一個元素（例如在上例中指向不存在的a[10]），大家可以自己探究，我將會在下期給出答案。
順帶一提，fortran的陣列從1開始計數，因此，為了把fortran程式移植到c程式過程中，經常使用這種“違背標準的技巧”。

完。下期再見。

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