六、指標

指標 (pointer)

宣告語法

資料型態 *指標名稱;

一個指向某個儲存位址的變數，語法為

int *ptr = &var;

其中

  • & ：取變數位址

  • * ： 表示為指標變數

取址運算子(作用在變數名稱前)

& 變數名稱

也可用於函數變為函式指標 (function pointer)，語法為

void (*fptr)(type_a, type_b) = &func;

常用的地方如下

函式 sort 時傳入判斷準則

  1. multithread 傳函數進入建立 thread 的 API 中

  2. callback function (一種事件導向的函式)

基礎指標判讀

指標判讀大原則為「從右讀到左」，例如：

int a; // 一個整型數
int *a; // 一個指向整數的指標
int **a; // 一個指向指標的指標，它指向的指標是指向一個整型數
int a[10]; // 一個有10個整數型的陣列
int *a[10]; // 一個有10個指標的陣列，該指標是指向一個整數型的
int (*a)[10]; // 一個指向有10個整數型陣列的指標
int (*a)(int); // 一個指向函數的指標，該函數有一個整數型參數並返回一個整數
int (*a[10])(int); // 一個有10個指標的陣列，該指標指向一個函數，該函數有一個整數型參數並返回一個整數

注意宣告兩個指標時不能寫做 int a, b; 因為前式等價於 int a; int b;。連續宣告兩個指標用 int a, b;

指標與其他關鍵字混用

關鍵字 volatile 等等判讀方式相同。

const int * foo; // 一個 pointer，指向 const int 變數。
int const * foo; // 一個 pointer，指向 const int 變數。
int * const foo; // 一個 const pointer，指向 int 變數。
int const * const foo; // 一個 const pointer，指向 const int 變數。

延伸性資料型態：struct、typedef、union 和 enum

1. 結構 struct

struct 是使用者自定的型態，包含數個不同資料型態的變數，將不同的資料型態關聯在一起，使他們的關聯更直覺。

struct [structName] {
 char name[16]; 
 int age;
 struct [structName] *ptr;  
 // 不能含有自己，但可以有自己型別的指標。
};

int main () {
 struct [structName] person1 = {"Amy", 20 }; // 初始化
 person.age = 21; // 操作
}

2. 重新定義型態名稱 typedef

typedef 保留字可以為資料型態建立別名，使程式更易閱讀理解。例如：

typeof struct [structName] {
 char name[16];
 int age;
 struct [structName] *ptr;
} PERSON;

int main () {
 PERSON person1 = {"Amy", 20 };
 person.age = 21;
}

3. 列舉 enum

enum 是一種常數定義方式，可以提升可讀性，enum 裡的識別字會以 int 的型態，從指定的值開始遞增排列 (預設為 0)。

typedef enum {SUN=0, MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT} week_type;
week_type week = WED;
if(week==WED)
    cout<<week<<endl; // 3

4. 共用結構 union

電腦架構早期記憶體空間比較不足，因此需要使用共用結構讓各變數共用一塊記憶體，union 所需的記憶體空間大小由最大的成員變數決定，例如以下 union 的大小為 8 位元組 (upper bound double)。

union data{
 char c;
 int num;
 double fnum;
};
union data a, b;

struct 是每個成員變數都配置一段空間，union 則是共用一段記憶體空間。另外，union 需注意記憶體內的排列方式，如 little-endian 方法排列，int 會放在 double 的 byte 3~0 的位置，從而改變 double 讀取時的值。

傳值、傳址

傳值 call by value

最常見的函式寫法，呼叫者和被呼叫者的變數各自佔有記憶體，將參數複製再傳給函式，而 C語言目前只有這個功能。

傳址 call by reference(address)

呼叫者和被呼叫者的變數使用相同的記憶體位址，因此在被呼叫函式中改變變數時，變動結果會保留。(C++ 才有，寫法為 type func(type &var) { ... })

前處理器相關

前處理器主要處理加入檔案 #include、巨集定義 #define 和 #undef 條件編譯。

1.巨集 #define

#define 是巨集，在前置處理器 (preprocessor) 執行時處理，將要替換的程式碼展開做文字替換。define 語法範例如下：

#define PI 3.1415926    //常數巨集
#define A(x) x    //函數巨集
#define MIN(A，B)  ( (A)  <= (B) ? (A) : (B))

注意把參數用括號括起來，不然容易發生以下錯誤

#define SUM(a,b)  a+b

當 SUM(2,5)*10 時，因為沒有括弧先乘除後加減，得輸出為 52，錯誤。

2.引入防護和條件編譯

引入防護 (Include guard) 是一種條件編譯，用於防範 #include 指令重複引入的問題。

/* 避免重複引入 */
#ifndef MYHEADER
#define MYHEADER
...
#endif

第一次被引入時會定義巨集 MYHEADER，再次引入時判斷 #ifndef 測試失敗，因此編譯器會直接跳到 #endif，由此避免了重複引用。另有非標準的指令 #pragma once 提供相同效果，但由於可攜性不如上例，因此大多時候還是上面提到的方法為主。 條件編譯還有一些其它應用：

/* 若前處理器已經 define MYHEADER，就編譯 part A，否則編譯 part B。 */
#ifdef MYHEADER
#define MYHEADER
   // part A
#else
   // part B
#endif

/* DEBUG flag */
#ifdef DEBUG
   print ("device_open(%p) ", file);
#endif

關鍵字

const

const 通常表示只可讀取不可寫入的變數，常用來宣告常數。使用 const 有以下好處：

  • 使編譯器保護那些不希望被改變的參數

  • 給優化器一些附加的資訊

  • 提升程式碼可讀性

const vs #define 編譯器處理方式 : define 在預處理階段展開；const 在編譯階段使用。

  1. 類型和安全檢查 : const 會在編譯階段會執行類型檢查，define 則不會。

  2. 存儲方式 : define 直接展開不會分配記憶體，const 則會在記憶體中分配。

volatile

由於嵌入式系統常處理 I/O、中斷、即時操作系統 (RTOS) 相關的問題，因此在嵌入式系統開發中 volatile 尤為重要。被 volatile 修飾的變數代表它可能會被不預期的更新，因此告知編譯器不對它涉及的地方做最佳化，並在每次操作它的時候都讀取該變數實體位址上最新的值，而不是讀取暫存器的值。 volatile 常見的應用：

  1. 修飾多執行緒 (multi-threaded) 的全域變數。

  2. 設備的硬體暫存器 (如狀態暫存器)

  3. 修飾中斷處理程式中 (ISR) 中可能被修改的全域變數。

const 和 volatile 合用

extern const volatile unsigned int rt_clock;

這是在 RTOS kernel 常見的一種宣告：rt_clock 通常是指系統時鐘，它經常被時鐘中斷進行更新。所以它是 volatile。因此在用的時候，要讓編譯器每次從記憶體裡面取值。而 rt_clock 通常只有一個寫者（時鐘中斷），其他地方對其的使用通常都是唯讀的。所以將其聲明為 const，表示這裏不應該修改這個變數。所以 volatile 和 const 是兩個不矛盾的東西，並且一個物件同時具備這兩種屬性也是有實際意義的。

inline

inline 可以將修飾的函式設為行內函式，即像巨集 (define) 一樣將該函式展開編譯，用來加速執行速度。 inline 和 #define 的差別在於：

  • inline 函數只對參數進行一次計算，避免了部分巨集易產生的錯誤。

  • inline 函數的參數類型被檢查，並進行必要的型態轉換。

  • 巨集定義盡量不使用於複雜的函數

  • 用 inline 後編譯器不一定會實作，僅為建議。

未定義行為 (Undefined behavior)

[補充] 常見的語法 i++ 和 ++i 具有以下性質：

  • i++ : 先用 i ，再將 i+1

  • ++i : 先 i+1，再用 i 。

因此會出現這種問題：

int i = 10
i = i++ + ++i;

這個問題的標準答案是

i = i++ + ++i;
i = 10 + ++i;
i = 10 + 12;
i = 22

但是這是有爭議的！編譯時會有警告訊息

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