(原創) C/C++哪些地方會用到pointer呢? (C/C++) (C)
Abstract
學習C/C++，大家最大的障礙就是pointer，本文試著將pointer做整體的討論。
Introduction
C很多地方都用到pointer，C++則有不少替代方案，以下是C和C++會用到pointer的地方。
| C | C++ |
| 1.Pass by Address | Reference |
| 2.Pass Array to Function | Vector |
| 3.char * | std::string |
| 4.Dynamic Allocation (malloc(),linked list) | STL container |
| 5.Function Pointer | Function Object |
| 6.N/A | Iterator |
| 7.N/A | Polymorphism |
| 8.N/A | Polymorphism object in container |
1.Pass by Address
C語言
為了達成pass by address，C利用pointer達到此需求。
2 (C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : pointer_swap.cpp
5 Compiler : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
6 Description : Demo how to use pointer to implement pass by address
7 Release : 02/25/2007 1.0
8 */
9 #include <stdio.h>
10 #include <conio.h>
11
12 void swap(int *x, int *y) {
13 int tmp = *y;
14 *y = *x;
15 *x = tmp;
16 }
17
18 int main() {
19 int x = 1;
20 int y = 2;
21
22 printf("x=%d, y=%d\n", x, y);
23 swap(&x, &y);
24 printf("x=%d, y=%d\n", x, y);
25 }
執行結果
x=1 y=2x=2 y=1
C++
C++提出了reference達成pass by address，使程式可讀性更高。
2 (C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : reference_swap.cpp
5 Compiler : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
6 Description : Demo how to use reference to implement pass by address
7 Release : 02/25/2007 1.0
8 */
9 #include <iostream>
10
11 using namespace std;
12
13 void swap(int &x, int &y) {
14 int tmp = y;
15 y = x;
16 x = tmp;
17 }
18
19 int main() {
20 int x = 1;
21 int y = 2;
22
23 cout << "x=" << x << " y=" << y << endl;
24 swap(x,y);
25 cout << "x=" << x << " y=" << y << endl;
26 }
執行結果
x=1 y=2x=2 y=1
執行結果一樣，功能也一樣，皆是pass by address，C++的reference是不是更簡潔呢?
See Also
(原創) pointer和reference有什么差别呢? (C/C++)
2.Pass Array to Function
C語言
將陣列傳到function時，由於陣列可能很大，若用pass by value的方式傳進function，勢必造成大量copy的動作而降低效能，C語言是靠pointer的方式，將陣列第一個元素的位址以pointer的方式傳進function。
2 (C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : ArrayPassToFunctionCStyle.c
5 Compiler : Visual C++ 8.0 / ISO C++
6 Description : Demo how to use pass array to function by C Style
7 Release : 01/03/2007 1.0
8 */
9 #include <stdio.h>
10
11 void func(int *start, size_t size) {
12 int *end = start + size;
13
14 while(start != end)
15 printf("%d\n", *start++);
16 }
17
18 int main() {
19 int ia[] = {0, 1, 2};
20 func(ia, 3);
21 }
執行結果
012
C++
array本身有很多缺點，C++建議用STL的vector取代array。
2 (C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : VectorPassToFunction.cpp
5 Compiler : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
6 Description : Demo how to use pass vector to function
7 Release : 02/26/2007 1.0
8 */
9 #include <iostream>
10 #include <vector>
11
12 using namespace std;
13
14 void func(vector<int> const &ivec) {
15 vector<int>::const_iterator iter = ivec.begin();
16 for(;iter != ivec.end() ; ++iter) {
17 cout << *iter << endl;
18 }
19 }
20
21 int main() {
22 int ia[] = {0, 1, 2};
23 vector<int> ivec(ia, ia + sizeof(ia) / sizeof(int));
24 func(ivec);
25 }
21行和22行
int ia[] = {0, 1, 2};
vector<int> ivec(ia, ia + sizeof(ia) / sizeof(int));
只是個便宜行事的寫法，因為vector本身並沒有如boost::array提供initializer，所以借用了array的initializer，再由array轉vector。實務上是用pushback()將資料塞進vector。
重點應該放在14行
void func(vector<int> const &ivec) {
只需傳vector型態即可，不須用pointer，也不需傳size。
vector還有很多優點，如靜態動態一次搞定，不像array還分靜態array和動態array，array唯一的優點就是速度較快，若你的程式非常重視執行速度，則應該考慮使用array。
See Also
(原創) 如何将array转成std::vector? (使用vector.insert) (C++) (STL)
(原創) 如何将array转成std::vector? (使用constructor) (C++) (STL)
(原創) 如何動態建立一維陣列? (C/C++)
(原創) 如何動態建立二維陣列(多維陣列)? (C)
(原創) 如何動態建立二維陣列(多維陣列)? (C++)
(原創) 由一維陣列模擬二維陣列(多維陣列) (C/C++)
3.字串
C語言
C語言沒有字串型別，而是用char array來模擬字串，由於本質是array，所以可以用pointer來表示字串，也因如此，造成C語言在操作字串時含其他語言差異甚大。
2 (C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : C_string.c
5 Compiler : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
6 Description : Demo how to use C-Style string
7 Release : 08/12/2007 1.0
8 */
9 #include <stdio.h>
10 #include <string.h>
11
12 int main() {
13 char s1[15] = "Hello";
14 char s2[] = " World";
15
16 strcat(s1, s2);
17
18 printf("%s\n",s1);
19
20 char *s3 = "Hello";
21 char *s4 = "Hello";
22
23 if (strcmp(s3, s4))
24 puts("s3 and s4 are not the same");
25 else
26 puts("s3 and s4 are the same");
27 }
執行結果
執行結果Hello Worlds3 and s4 are the same
16行
strcat(s1, s2);
字串相加，並沒有如期他語言很直覺的用s1 = s1 + s2;而得用strcat()，且s1和s2都是pointer。
23行
if (strcmp(s3, s4)) puts("s3 and s4 are not the same");else puts("s3 and s4 are the same");
比較字串是否相同，也必須用strcmp()比較兩個pointer所指向的string是否相同才可比較，不可以用
if (s3 == s4)
因為s3和s4都是pointer，這樣是比較兩個pointer是否相同，而不是比較string是否相同，這和其他語言差異甚大，也和不符合一般人直覺。
C++
C++的STL提供了string，改進了C的char *，用法非常直覺。
2 (C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : CPP_string.cpp
5 Compiler : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
6 Description : Demo how to use std::string
7 Release : 08/12/2007 1.0
8 */
9 #include <iostream>
10 #include <string>
11
12 using namespace std;
13
14 int main() {
15 string s1 = "Hello";
16 string s2 = " World";
17
18 s1 = s1 + s2;
19
20 cout << s1 << endl;
21
22 string s3 = "Hello";
23 string s4 = "Hello";
24
25 if (s3 == s4)
26 cout << "s3 and s4 are the same" << endl;
27 else
28 cout << "s3 and s4 are not the same" << endl;
29 }
執行結果
s3 and s4 are the same
18行
s1 = s1 + s2;
字串相加，只要直覺的相加即可，符合大部分語言的習慣。
25行
if (s3 == s4) cout << "s3 and s4 are the same" << endl;else cout << "s3 and s4 are not the same" << endl;
字串比較，也直接用==即可，簡單明瞭。
在C++，建議使用string，而且還可搭配強大的STL algorithm，功能強大且代碼乾淨易懂。
4.Dynamic Allocation
C語言
由於C語言是典型的靜態語言，使用array時必須事先定義好大小，這樣compiler才能做最佳化，若要讓C語言有動態功能，必須使用malloc()配合資料結構的linked list。
2 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : DS_linked_list_simple.c
5 Compiler : Visual C++ 8.0
6 Description : Demo how to use malloc for linked list
7 Release : 03/22/2008 1.0
8 */
9 #include <stdio.h>
10 #include <stdlib.h>
11 #include <string.h>
12
13 #define SLEN 255
14
15 struct list {
16 int no;
17 char name[SLEN];
18 struct list *next;
19 };
20
21 int main() {
22 int no;
23 char s[255];
24
25 struct list *head = NULL;
26 struct list *current = NULL;
27 struct list *prev = NULL;
28
29 while(1) {
30 printf("No. = ");
31 scanf("%d", &no);
32
33 if (no == 0)
34 break;
35
36 printf("Name = ");
37 scanf("%s", s);
38
39 current = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
40 if (current == NULL)
41 exit(EXIT_FAILURE);
42
43 current->next = NULL;
44
45 current->no = no;
46 strncpy(current->name, s, SLEN -1);
47 current->name[SLEN -1] = '\0';
48
49 if (head == NULL)
50 head = current;
51 else
52 prev->next = current;
53
54 prev = current;
55 }
56
57 // display linked list
58 current = head;
59 while(current != NULL) {
60 printf("No. = %d, Name = %s\n", current->no, current->name);
61 current = current->next;
62 }
63
64 // free linked list
65 current = head;
66 while(current != NULL) {
67 prev = current;
68 current = current->next;
69 free(prev);
70 }
71 }
執行結果
Name = clare
No. = 2
Name = jessie
No. = 0
No. = 1, Name = clare
No. = 2, Name = jessie
39行
使用了malloc()動態新增linked list的node。
64行
current = head;
while(current != NULL) {
prev = current;
current = current->next;
free(prev);
}
由於malloc()使用了heap上的記憶體，必須手動使用free()將記憶體釋放，否則會造成memory leak。
C++
vector本身就可以動態擴張，而且又會自動釋放記憶體，因此可以取代linked list。
2 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : DS_linked_list_simple_vector_class.cpp
5 Compiler : Visual C++ 8.0
6 Description : Demo how to use vector instead of linked list
7 Release : 03/22/2008 1.0
8 */
9 #include <iostream>
10 #include <string>
11 #include <vector>
12
13 using namespace std;
14
15 class List {
16 public:
17 int no;
18 string name;
19 };
20
21 int main() {
22 vector<List> vec;
23
24 while(1) {
25 List list;
26 cout << "No. = ";
27 cin >> list.no;
28
29 if (list.no == 0)
30 break;
31
32 cout << "Name = ";
33 cin >> list.name;
34
35 vec.push_back(list);
36 }
37
38 vector<List>::iterator iter = vec.begin();
39 for(; iter != vec.end(); ++iter)
40 cout << "No. = " << iter->no << ", Name = " << iter->name << endl;
41 }
執行結果
Name = clare
No. = 2
Name = jessie
No. = 0
No. = 1, Name = clare
No. = 2, Name = jessie
15行
public:
int no;
string name;
};
C++提供了class取代struct。
22行
使用vector取代linked list。
35行
只需簡單的使用push_back()即可動態新增。
而且vector也不用管理記憶體，不會有memory leak的問題。
See Also
(原創) 簡單的Linked List實現 (C/C++) (Data Structure)
(原創) 如何將輸入的字串存到記憶體後，再一起印出來? (C/C++)
5.Function Pointer
function pointer出自一個很簡單的需求：『該如何將function如變數一樣傳到另外一個function?』C語言使用function pointer來達成。
C語言
2 (C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : funtion_pointer.c
5 Compiler : Visual C++ 8.0
6 Description : Demo how to use function pointer
7 Release : 03/30/2008 1.0
8 */
9 #include <stdio.h>
10
11 typedef int (*predicate)(int);
12
13 int is_odd(int i) {
14 return i % 2 ? 1 : 0;
15 }
16
17 int is_even(int i) {
18 return i % 2 ? 0 : 1;
19 }
20
21 void print_array(int *beg, int *end, predicate fn) {
22 do {
23 if ((*fn)(*beg))
24 printf("%d ", *beg);
25 } while(++beg != end);
26 }
27
28 int main() {
29 int ia[] = {1, 2, 3};
30 int size = sizeof(ia) / sizeof(int);
31
32 printf("Odd:");
33 print_array(ia, ia + size, is_odd);
34 printf("\n");
35 printf("Even:");
36 print_array(ia, ia + size, is_even);
37 }
執行結果
Even:2
11行
利用typedef定義一個predicate型態的function pointer，傳入為int，傳出為int，雖然不一定得自行用typedef定義，但function pointer很容易寫成很複雜很難懂的程式，所以建議用typedef重新定義。
21行
宣告print_array最後一個參數為predicate這個function pointer型態，可傳入一個function pointer。
13行、17行
為兩個符合predicate型態要求的function，因此日後可以傳入print_array()。
33行、36行
使用function pointer有什麼好處呢?在這兩行可以充分的看出，print_array()是不變的，若將來需求改變，如想印3的倍數，只要符合predicate規格的function即可，在實務上，我們常利用function pointer來達成callback。
C++
C++提供了function object(functor)取代function pointer。
2 (C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : funtion_object2.cpp
5 Compiler : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
6 Description : Demo how to use function object
7 Release : 03/30/2008 1.0
8 */
9 #include <iostream>
10
11 using namespace std;
12
13 template <typename T>
14 struct is_odd {
15 bool operator() (T i) {
16 return i%2? true : false;
17 }
18 };
19
20 template <typename T>
21 struct is_even {
22 bool operator() (T i) {
23 return i%2? false : true;
24 }
25 };
26
27 template <typename T, typename U>
28 void print_array(T beg, T end, U fn) {
29 do {
30 if (fn(*beg))
31 cout << *beg << " ";
32 } while(++beg != end);
33 };
34
35 int main() {
36 int ia[] = {1, 2, 3};
37
38 cout << "Odd:";
39 print_array(ia, ia + 3, is_odd<int>());
40
41 cout << endl;
42
43 cout << "Even:";
44 print_array(ia, ia + 3, is_even<int>());
45 }
執行結果
Even:2
13行
struct is_odd {
bool operator() (T i) {
return i%2? true : false;
}
};
是一個典型的functor，基本上是靠對operator()作overloading而來，若配合constructor還能傳參數進來，由於都是public，所以習慣上使用struct。不一定得使用template，只是functor也支援template就是了。
27行
void print_array(T beg, T end, U fn) {
do {
if (fn(*beg))
cout << *beg << " ";
} while(++beg != end);
};
寫法幾乎和C語言一樣，只不過多了template而已，但template可用可不用。
39行、44行
也和C語言很類似。
function object的優點在於語法較高階，若配合constructor，則比function object更強，在(原創) Function Pointer、Delegate和Function Object (C/C++) (template) (C#)有詳細的討論。
See Also
(原創) Function Pointer、Delegate和Function Object (C/C++) (template) (C#)
(原創) 如何使用Function Object? (C/C++) (STL)
接下來要談的，都是C++專屬的東西，在C沒有。一個基本的觀念：『C++的pointer最好只把它當成operator去看待，不要再用C的pointer是一個記憶體位址，指向一個變數』的思維，也就是說，* 只是個符號，代表一些特定的意義，這樣會比較容易理解。
6.Iterator (C沒有)
C++ STL的iterator，是個操作很像poiner的smart pointer(請參考(原創) iterator到底是不是pointer? (C/C++) (STL))。STL的container，就是利用iterator存取每個元素。
2 #include <iostream>
3
4 using namespace std;
5
6 int main() {
7 vector<int> ivec;
8 ivec.push_back(1);
9 ivec.push_back(2);
10 ivec.push_back(3);
11 ivec.push_back(4);
12
13 for(vector<int>::iterator iter = ivec.begin(); iter != ivec.end(); ++iter)
14 cout << *iter << endl;
15 }
執行結果
2
3
4
iterator可以++、--、*、->，使用起來跟pointer一樣。
See Also
(原創) iterator到底是不是pointer? (C/C++) (STL)
7.Polymorphism (C沒有)
C++有三種物件表示方式：object, pointer, reference，C#只有object很單純，但對於最重要的多型，C++不能用object表示，這會造成object slicing，必須用pointer和reference達成。
2 (C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename : PolymorphismPointerReference.cpp
5 Compiler : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
6 Description : Demo how to use pointer & reference for polymorphism
7 Release : 03/20/2007 1.0
8 */
9 #include <iostream>
10 #include <string>
11
12 using namespace std;
13
14 class Student {
15 public:
16 string name;
17
18 protected:
19 Student() {}
20 Student(char const* name) : name(string(name)) {}
21
22 public:
23 virtual string job() const = 0;
24 };
25
26 class Bachelor : public Student {
27 public:
28 Bachelor() {}
29 Bachelor(char const* name) : Student(name) {}
30
31 public:
32 string job() const {
33 return "study";
34 }
35 };
36
37 class Master : public Student {
38 public:
39 Master() {}
40 Master(char const* name) : Student(name) {}
41
42 public:
43 string job() const {
44 return "study, research";
45 }
46 };
47
48 int main() {
49 // C# : Student John = new Bachelor("John");
50 // use pointer
51 Student* John = &Bachelor("John");
52 cout << John->job() << endl;
53
54 // use reference
55 Student& Jack = Bachelor("Jack");
56 cout << Jack.job() << endl;
57
58 // C# : Student Mary = new Master("Mary");
59 Student* Mary = &Master("Mary");
60 cout << Mary->job() << endl;
61
62 Master* Jeny;
63 Jeny = new Master;
64 cout << Jeny->job() << endl;
65 }
執行結果
studystudystudy, research
49行和58行為C#的寫法，使用object即可，但若用C++，51行為pointer寫法，55行為reference寫法，但不能使用object寫法。
(原創) 什麼是物件導向(Object Oriented)? (C/C++) (C#)
8.Polymorphism object in container (C沒有)
若要將多型的object放進container，則一定得用pointer，因為reference不能copy，這寫是C++與C#差異很大的地方。
繼續上一個多型的程式，現在我們想將這些多型的object放進vector內。
2 (C) OOMusou 2006 http://oomusou.cnblogs.com
3
4 Filename :Polymorphism.cpp
5 Compiler : Visual C++ 8.0 / ISO C++
6 Description : Demo how to use Object Decomposition and Polymorphism.
7 Release : 01/12/2007 1.0
8 */
9 #include <iostream>
10 #include <vector>
11 #include <string>
12
13 using namespace std;
14
15 class Student {
16 protected:
17 // constructor of abstract base class, since student
18 // can't be initiated, constructor just can be called
19 // by constructor of derived class, so put it in protected
20 // level.
21 Student(const char* _name) : name(string(_name)) {}
22
23 public:
24 string getName() const { return this->name; }
25 // pure virtual fuction
26 virtual string job() const = 0;
27
28 private:
29 string name;
30 };
31
32 // public inheritance
33 class Bachelor : public Student {
34 public:
35 // call constructor of abc myself.
36 Bachelor(const char* name) : Student(name) {};
37
38 public:
39 string job() const { return "study"; };
40 };
41
42 class Master : public Student {
43 public:
44 Master(const char* name) : Student(name) {};
45
46 public:
47 string job() const { return "study, research"; };
48 };
49
50 // new class for further
51 /*
52 class Doctor : public Student {
53 public:
54 Doctor(const char* name) : Student(name) {};
55
56 public:
57 string job() const { return "study, research, teach"; };
58 };
59 */
60
61 class Lab {
62 public:
63 // pass reference of student
64 void add(Student&);
65 void listAllJob() const;
66
67 private:
68 // put pointer of student in member vector, can't
69 // put reference in vector.
70 vector<Student *> member;
71 };
72
73 void Lab::add(Student& student) {
74 // _student is reference of student object
75 // &_student is pointer of _student reference
76 this->member.push_back(&student);
77 }
78
79 void Lab::listAllJob() const {
80 // POWER of Polymorphism !!
81 // (*iter) automatically refer to derived object,
82 // this is called "dynamic binding".
83 // if you add new object in the future, you don't
84 // need to maintain this code.
85 for(vector<Student *>::const_iterator iter = this->member.begin(); iter != this->member.end(); ++iter) {
86 cout << (*iter)->getName() << "'s job:" << (*iter)->job() << endl;
87 }
88 }
89
90 int main() {
91 Bachelor John("John");
92 Master Mary("Mary");
93 // Doctor Jack("Jack");
94
95 Lab CSLab;
96 CSLab.add(John);
97 CSLab.add(Mary);
98 // CSLab.add(Jack);
99
100 CSLab.listAllJob();
101 }
執行結果
Mary's job:study, research
70行
// put pointer of student in member vector, can't
// put reference in vector.
vector<Student *> member;
};
member是一個要放多型物件的vector，這裡一定要用pointer，不能用reference。
79行
// _student is reference of student object
// &_student is pointer of _student reference
this->member.push_back(&student);
}
Student& student是reference，但&student是pointer，因為&在C++同時有兩個意義，要看使用位置而定。
79行
// POWER of Polymorphism !!
// (*iter) automatically refer to derived object,
// this is called "dynamic binding".
// if you add new object in the future, you don't
// need to maintain this code.
for(vector<Student *>::const_iterator iter = this->member.begin(); iter != this->member.end(); ++iter) {
cout << (*iter)->getName() << "'s job:" << (*iter)->job() << endl;
}
}
由於*iter還是pointer，所以要括號後再用->，由於這是個多型的container，所以日後若有新的多型object，就再也不需要改code了，這就是多型的威力。
Conclusion
總算將全篇寫完了，也了了自己的心願，從頭到尾橫跨的時間超過一年，哈，主要是將自己學習C與C++關於pointer的心得做整理留下記錄。
