C++ 指標與參照

2025年7月8日📖30 分鐘閱讀

#C++#初學#Pointers#指標

本文介紹 C++ 指標與參照的概念，包括指標的宣告與運算、函數指標、陣列與雙重指標、靜態與動態記憶體配置。

目錄9 項

C++ 指標與參照

指標（Pointer）

1. 宣告指標變數

指標用於儲存變數的記憶體位址。

語法：

資料型態 *指標變數;

範例：

int *ptr; // 宣告整數指標

指向變數：

int num = 20;
int *ptr = &num; // ptr 指向 num 的位址
// 或
int *ptr;
ptr = &num;

2. 介紹

指標儲存位址：指標儲存變數的記憶體位址，ptr 指向變數 a 表示 ptr 儲存 a 的位址。
指標自身有位址：指標變數本身也有記憶體位址，與其指向的變數位址無關。
重新指向：指標可指向另一同型態變數。
固定大小：指標本身佔 4 byte（32 位系統）或 8 byte（64 位系統），與指向的資料型態無關。

範例：指標大小：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int *iptr;
    char *cptr;
    cout << "sizeof(iptr)=" << sizeof(iptr) << endl; // 指標大小
    cout << "sizeof(cptr)=" << sizeof(cptr) << endl; // 指標大小
    cout << "sizeof(*iptr)=" << sizeof(*iptr) << endl; // 整數大小
    cout << "sizeof(*cptr)=" << sizeof(*cptr) << endl; // 字元大小
    return 0;
}

圖示：

指標指向變數的記憶體位址（待補充圖示）。
指標自身的記憶體位址（待補充圖示）。

3. 運算子

位址運算子 &：取得變數的記憶體位址。
取值運算子 *：取得指標指向變數的內容。

範例：

int num = 20;
int *ptr = &num; // &num 取得 num 位址
cout << *ptr;    // *ptr 取得 num 的值（20）

4. 指標與函數的應用

4.1 傳遞指標到函數

語法：

傳回值型態 函數名稱(資料型態 *指標變數) {
    // 函數內容
}

呼叫方式：

int a = 10;
int *ptr = &a;
func(&a); // 傳遞 a 的位址
func(ptr); // 傳遞指標

4.2 回傳指標

語法：

傳回值型態 *函數名稱(資料型態 引數) {
    // 函數內容
    return 指標;
}

練習：回傳兩數最大值的指標：

#include <iostream>
using namespace std;

int *max(int *p1, int *p2) {
    if (*p1 > *p2) {
        return p1;
    } else {
        return p2;
    }
}

int main() {
    int a = 12, b = 19, *ptr;
    ptr = max(&a, &b);
    cout << "max=" << *ptr << endl; // 輸出 19
    return 0;
}

4.3 傳值與傳址的差異

傳值（Pass by Value）：傳遞變數副本，函數內修改不影響原變數。
傳址（Pass by Address）：傳遞變數位址，函數內修改影響原變數。

傳值範例（無效交換）：

#include <iostream>
using namespace std;

void swap(int x, int y) {
    int tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}

int main() {
    int a = 5, b = 20;
    cout << "交換之前 a=" << a << ", b=" << b << endl;
    swap(a, b);
    cout << "交換之後 a=" << a << ", b=" << b << endl; // a=5, b=20
    return 0;
}

傳址範例（有效交換）：

#include <iostream>
using namespace std;

void swap(int *p1, int *p2) {
    int tmp = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = tmp;
}

int main() {
    int a = 5, b = 20;
    cout << "交換之前 a=" << a << ", b=" << b << endl;
    swap(&a, &b);
    cout << "交換之後 a=" << a << ", b=" << b << endl; // a=20, b=5
    return 0;
}

狀況說明（原文件中的 ! 標記）：

傳值：函數內操作副本，原變數不變。
傳址：函數內操作原變數位址，修改生效。
注意：傳址需小心，避免意外修改或空指標（null pointer）問題。
指標操作需確保指向有效記憶體。

5. 函數指標（Function Pointer）

函數名稱儲存函數的起始位址，可用函數指標指向並呼叫。

語法：

傳回值型態 (*指標變數名稱)(引數型態1, 引數型態2, ...);

範例：

#include <iostream>
using namespace std;

int square(int n) {
    return n * n;
}

int main() {
    int (*pf)(int);
    pf = square;
    cout << "square(5)=" << (*pf)(5) << endl; // 輸出 25
    return 0;
}

傳遞函數指標：

#include <iostream>
using namespace std;

double triangle(double base, double height) {
    return base * height / 2;
}

void show_area(double x, double y, double (*pf)(double, double)) {
    cout << "Area=" << (*pf)(x, y) << endl;
}

int main() {
    show_area(4, 6.6, triangle); // 輸出 Area=13.2
    return 0;
}

6. 指標與陣列的關係

6.1 指標的算術運算

指標可進行加減運算，移動單位為指向資料型態的大小（byte）。
陣列名稱是指標常數，指向陣列首元素。

範例：存取陣列：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a[3] = {5, 7, 9};
    cout << "a[0]=" << a[0] << ", *(a+0)=" << *(a+0) << endl;
    cout << "a[1]=" << a[1] << ", *(a+1)=" << *(a+1) << endl;
    cout << "a[2]=" << a[2] << ", *(a+2)=" << *(a+2) << endl;
    return 0;
}

練習：計算陣列總和：

方法一（使用陣列名稱）：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5}, sum = 0;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        sum += *(a + i);
    }
    cout << "Sum=" << sum << endl; // 輸出 15
    return 0;
}

方法二（使用指標）：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5}, sum = 0;
    int *ptr = a;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        sum += *(ptr++);
    }
    cout << "Sum=" << sum << endl; // 輸出 15
    return 0;
}

注意：

陣列名稱（如 a）是指標常數，不可修改（a = a + 1 無效）。
指標變數（如 ptr）可修改（ptr = ptr + 1 有效）。

練習：指標常數的位址與值：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a[5] = {32, 16, 35, 65, 52};
    cout << "a=" << a << endl; // 陣列首地址
    cout << "&a=" << &a << endl; // 陣列本身的地址
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        cout << "&a[" << i << "]=" << &a[i] << endl; // 各元素地址
    }
    return 0;
}

傳遞陣列到函數：

#include <iostream>
using namespace std;

void func(int *arr, int n) {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        cout << arr[i] << ' ';
    }
    cout << endl;
}

int main() {
    int arr[3] = {1, 2, 3};
    func(arr, 3); // 傳遞陣列首地址
    return 0;
}

6.2 指標陣列

儲存指標的陣列，常用於字串陣列。

語法：

資料型態 *陣列名稱[元素個數];

範例：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x = 1, y = 2, z = 3;
    int *ptr[3] = {&x, &y, &z};
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        cout << *ptr[i] << ' ';
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

6.3 指標指向字串

字串可用字元陣列或字元指標表示。

範例：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    char name[20];
    char *ptr = "how are you?";
    cout << "what's your name?" << endl;
    cin.getline(name, 20);
    cout << "hi, " << name << ", " << ptr << endl;
    return 0;
}

字串陣列範例：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    char *ptr[3] = {"apple", "banana", "cherry"};
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        cout << ptr[i] << endl;
    }
    return 0;
}

6.4 雙重指標（Pointer to Pointer）

指向指標的指標，儲存另一指標的位址。

語法：

資料型態 **雙重指標;
資料型態 *(*雙重指標); // 可加括號

二維陣列與雙重指標：

二維陣列名稱可視為指向一維陣列的指標。
*(num + m) + n：第 m+1 列，第 n+1 行的位址。
*(*(num + m) + n)：第 m+1 列，第 n+1 行的值。

練習：印出二維陣列位址與值： {% raw %}

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int num[3][4] = {{12, 23, 42, 18}, {43, 22, 16, 14}, {31, 13, 19, 28}};
    for (int m = 0; m < 3; m++) {
        for (int n = 0; n < 4; n++) {
            cout << "num[" << m << "][" << n << "]=" << *(*(num + m) + n);
            cout << ", 地址=" << *(num + m) + n << endl;
        }
    }
    return 0;
}

{% endraw %}

圖示：

二維陣列與指標陣列的關係（待補充圖示）。
雙重指標存取二維陣列的示意（待補充圖示）。

7. 靜態與動態記憶體配置

7.1 靜態記憶體配置

定義：編譯時分配固定記憶體，程式執行時使用。
特點：記憶體大小固定，生命週期隨程式執行。

圖示：靜態記憶體配置示意（待補充圖示）。

7.2 動態記憶體配置

定義：執行時從堆（heap）分配記憶體。
特點：靈活分配，需手動釋放。

指標創建與釋放：

型態A *指標變數名稱;
指標變數名稱 = new 型態A;
delete 指標變數名稱; // 釋放記憶體

範例：動態配置整數：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int *a = new int; // 分配整數記憶體
    *a = 5;
    cout << "*a=" << *a << endl; // 輸出 5
    delete a; // 釋放記憶體
    a = nullptr; // 避免野指標
    // cout << "*a=" << *a << endl; // 錯誤：訪問已釋放記憶體
    return 0;
}

陣列創建與釋放：

型態A *指標變數 = new 型態A[個數];
delete[] 指標變數; // 釋放陣列記憶體
指標變數 = nullptr;

練習：動態配置整數陣列：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int *a = new int[5];
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        a[i] = i * 2;
        cout << "a[" << i << "]=" << a[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    delete[] a;
    a = nullptr;
    return 0;
}

範例：動態配置字串：

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

char *setString(const char *text) {
    char *ptr = new char[strlen(text) + 1];
    strcpy(ptr, text);
    return ptr;
}

int main() {
    char *str = setString("hello c++");
    cout << str << endl;
    delete[] str;
    str = nullptr;
    return 0;
}

8. 指標與參照

8.1 指標

使用 &（位址運算子）和 *（取值運算子）操作變數位址與內容。

8.2 參照

參照是變數的別名，直接操作原變數。

語法：

資料型態 &參照名稱 = 變數名稱;

範例：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x = 5;
    int &ref = x; // ref 是 x 的別名
    cout << "x=" << x << ", ref=" << ref << endl; // x=5, ref=5
    ref = 10; // 修改 ref，等同修改 x
    cout << "x=" << x << ", ref=" << ref << endl; // x=10, ref=10
    return 0;
}

練習：指標與參照結合：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 10, &ref = a;
    int b = 15, *ptr = &b;
    cout << a << "+" << b << "=" << ref + *ptr << endl; // 輸出 25
    return 0;
}

8.3 引數傳遞方式

傳值（Pass by Value）：傳遞副本，函數內修改不影響原變數。
傳址（Pass by Address）：傳遞位址，函數內修改影響原變數。
傳參照（Pass by Reference）：傳遞別名，函數內修改影響原變數。

傳參照範例：

#include <iostream>
using namespace std;

void swap(int &x, int &y) {
    int tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}

int main() {
    int a = 5, b = 20;
    cout << "交換之前 a=" << a << ", b=" << b << endl;
    swap(a, b);
    cout << "交換之後 a=" << a << ", b=" << b << endl; // a=20, b=5
    return 0;
}

圖示：傳值、傳址、傳參照的比較（待補充圖示）。

C++ 指標與參照

指標（Pointer）

1. 宣告指標變數

2. 介紹

3. 運算子

4. 指標與函數的應用

4.1 傳遞指標到函數

4.2 回傳指標

4.3 傳值與傳址的差異

5. 函數指標（Function Pointer）

6. 指標與陣列的關係

6.1 指標的算術運算

6.2 指標陣列

6.3 指標指向字串

6.4 雙重指標（Pointer to Pointer）

7. 靜態與動態記憶體配置

7.1 靜態記憶體配置

7.2 動態記憶體配置

8. 指標與參照

8.1 指標

8.2 參照

8.3 引數傳遞方式

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