Edison.X. Blog

這問題被問蠻多次，類似的問題與回答在 另一份 blog 裡有提到一點，

裡面提的東西也較多，唯所撰內容過於繁雜，於此盡量「化繁為簡」。

以下之說明基於以下前提假設：

(1) sizeof(int) = 4 。
(2) 系統為二補數表示法。
(3) sizeof(pointer) = 4，意即指標大小為 4 bytes。

同時 address 一律以16進制示之，且只以單層指標、一維陣列為簡略說明。這裡的說明完整性，絕對比不上一本好書，只是盡力幫忙建立一些觀念。

1. 記憶體與變數

在程式碼中，任何一程式「通常」會宣告出許多變數，都是存放在「記憶體」裡面。比如，宣告一個 int a;，這個動作只是告訴作業系統：「幫我在記憶體裡面先配好一個整數的空間出來」，這時在記憶體裡面可能長這樣

(1) int a; 

 至於 value 會打上 ????，是只有「宣告」，而沒給賦值。至於位置為什麼會是0x40000004 ? 這一般的 coder 可以不用管，系統要配到哪個位置我們不在意，這裡的 0x40000004 也只是做假設之用，也就是假設系統是為整數變數 a 配到 0x4000 0004 此位置。若接下來進行「賦值」的動作

(2) a=10;

明明是將 a 設成整數 10，為什麼會是一堆 0/1 ？簡單的說，電腦裡面存的永遠只有 0/1 而已，所有的處理都是以 0/1 在處理。那些印出來的英文字母、阿拉伯數字，全部都是再經過一些處理後顯示出來的 (較正確的說法是，在 Console 視窗裡面 "畫" 出來)。

為方便說明，日後直接做這種表示

a=10;

 代表 a 之內容是十進制的 10，但還是要有觀念存在 ： 實際上是以 2 進制去存。

2. 納入指標之概念 - 「依址取值 *」

* 用「依址取值」解釋其實不是很好，下面會再解釋為什麼這麼翻不好。先記得一件事：指標 "存" 的東西，永遠是記憶體的位址值。 C/C++ 中，對於指標之宣告語法大致如此

(1) int *p;

這代表的是，叫作業系統在記憶體裡配置一個「存位址」的大小的東西，所以至少可以明白的第一件事情是：所有指標大小都是一樣的，因為要存的是位址，所以用一定的大小去存就可以 (可能是 32 bits, 也可能是 64bits, 看系統，此處是假設用 32bits 存指標)。繼續延伸第一點的部份，在記憶體裡面，長成這樣

(2) p = (int*)0x40000010; //Dangerous !!! Be Care

剛上面有說了， p 是存「位置」的東西，但真也不是像上面這麼用。

假設我要做的事情是：讀取記憶體位置 0x4000 0010 之值，這時候我便將指標 p ，存入該位址值，

若直接寫 p = 0x40000010，這是將 p 看成整數，而不是看成指標，於是進行強制轉型的動作，將 0x40000010 解釋成指標 (指向一整數之指標)

p = (int*) 0x4000 0010;

將 p 硬是記住 0x40000010 這個位置。接下來，我想看 0x40000010 這個位置裡面放的是什麼東西的話，就用 * 這個東西去取出來 ( "依址取值" ，依變數存的位址，去那個位址取出值出來)。

cout << *p << endl;  // printf("%08x\n", *p);

嗯，到這裡通常是會出現錯誤，跟你說 0x40000010 該記憶體不能為 read。為何？

*p 這個動作，分解大致如下：(1) 先去看 p 的內容存的是哪個位址，這裡存的是 0x40000010 (2) *p, 再到 0x40000010 這個位址，去讀取此位址的值為何。

關鍵就在 (2) 的部份，因前提是用硬用「暴力」的方法，讓 *p 指向 0x40000010 這位址，在執行動作 (2) 去讀記憶體位址，但那個記憶體位址 (也就是 0x40000010) 可能是被作業系統保護，不能讀，也不能寫。指標真不是這麼用的，這樣很有問題。

3. 納入指標之概念 - 「取得變數位址值 &」

有了「依址取值」之概念後，再談談「取得變數位址值」。

先考慮以下程式碼及假設之記憶體配置圖

int a = 10;
int *p;

接下來我想，將 p 的內容，放 「 變數 a 的位址值」，這時就是 「對變數取位址 &」，程式碼及記憶體結果如下所述

int a=10;
int *p;
p = &a;

上面重點部份都用彩色標出來了，分解動作大概是 (1) 將 a 的位址取取出來 : &a (2) 再將這個位址值給 p (也就是讓 p 記錄 a 的位址值) : p = &a;

嗯，好了，接下來可以用 p 去讀取 a 的值，程式碼如下

cout << *p << '\n' ; // printf("%d\n", *p);

結果將會輸出 10。在上一段曾提到： * 這東西就是「依址取值」，事實上這不是非常正確的說法，因「依址取值」是只有 讀取作用而已，但實際上它也可用來寫入。「間接」改變 a 的內容時，寫法便如下所述

*p = 5;

分解步驟大概二個。

(1) 先去看 p 的位址值是在哪，結果是 0x40000004

(2) 將 5 這個數字，寫到 p 指向的位址，也就是 a 的位址裡面去。

事實上，* 在 C/C++ 中，有個專屬之動詞 (還是名詞 ? 我覺得是動作，所以納到動詞)，叫 dereference，中文叫「提取」，這解釋比剛剛說的「依址取值」貼切太多了，因「提取」有可能是為了讀取，也可能是為了寫入。

以上，為指標概念基礎，看不懂、不熟，多看，或再找書補充 (可能是我的表達方式不好)，接下來一系列是在講  函式引數傳遞  的問題。

4. call by value / pass by value

考慮以下程式碼

void f(int sub_a)
{
    sub_a = 10;
}

int main()
{
    int main_a=5;
    f(main_a);
    cout << "main_a=" << main_a;
    return 0;
}

答案會等於多少？

在探討答案前，大致細說記憶體是怎麼跑的。首先， int a = 5 時，系統會為變數 a 配一個大小為 int (4bytes) 之記憶體空間，並給它初始值 5，記憶體大致如下

int main_a=5;

當呼叫 f(main_a) ，進入副函式時，實際上在副函式裡面，系統會再配置另一個位址給 sub_a。

f(main_a);

同時因為在主程式裡面，傳進的是 main_a 當初始值，所以事實上一開始在副函式裡面的 sub_a 初始就是 5  (言下之意，上一張的狀態應該是不存在的，直接跳到這個狀態底下)

f(main_a);

接下來，再副函式裡面，將 sub_a 改成 10

最後，副函式結束的時候，sub_a 的部份被系統整個收回去

於是回到主函式 main 裡面時，再用輸出 main_a ，變數值和原本的一模一樣。因為從頭到尾，記憶體操作都不是同一個地方。

上面變數用 main_a 與 sub_a ，是方便說明與觀查用，實際上 主函式之變數名稱 與 副函式之引數名稱 相同，其實動作都一模一樣，都是在不同記憶體底下操作，所以絕不會改到 主函式裡面的 main_a。

所以，main  裡面的輸出，最後還是 5 ，不會是 10。

5. call by pointer / pass by pointer

可能有部份原文書是寫 call by address、pass by address，但我認為用 pointer 比較不容易誤解，同時這部份中文翻譯也很有爭議，有些人認為翻「傳址呼叫」是傳神的；有些人認為翻「傳址呼叫」是誤解觀念的，這是我認為這部份不要翻譯較好的原因。

考慮以下範例碼

void f(int *p)
{
    *p = 10;
}

int main()
{
    int main_a=5;
    f(&main_a);
    cout << "main_a=" << main_a;
    return 0;
}

看到這裡應該會有十萬顆問號，但，若本文前面四點都知道的話，接下來要解釋真的不是難事。

int main_a=5;

接下來是關鍵，一次看二個地方，

void f(int *p){......}
f(&main_a);

在副函式  f 中，一開始就明確定義，我要接受的是「一個指標」，指標要存的是一「位址值」，也因此，在 main  裡面加上一個 & ，對 main_a 取得位址值。這時記憶體內容大致如下

再來將焦點放在副函式 f 裡面

void f(int *p)
{
    *p = 10;
}

這段在上面有說過了， *p = 10，就是把 10 這個常數，「放在 p 所指的位址裡」。現在 p 裡面存的位址是 0x40000004，所以 *p = 10，便是把 10 此常數放到 0x40000004 裡面 (注意到，這個 0x40000004 就是 a 的位址)，記憶體位址圖便如下

最後，副函式執行完畢時，關於 p  的東西全都被系統收回去

最後的結果發現，主程式裡面的變數，真的被改成 10 了。這也是和 call by value 最大不同點之一，一個會更改傳入的變數值，一個不會更改傳入的變數值。

 6. call by reference / pass by reference  (&)

reference 是 C++ 才有的東西，在 C 語言裡面沒有；

故call by reference 也是 C++ 才有的東西，在 C 語言裡面沒有。

reference 在大多的書上，都是形容它是 " nickname"，簡單的說，就是同一個東西，用另一個稱號去叫它。

比如說：

int edisonx = 10;
int &handsome = edisonx;

在第一行 int edisonx = 10; 裡面，記憶體位址長這樣

在第二行 int &handsome = edisonx; 時，並不會為 handsome 配置任何一個記憶體位址值，因 handsome 只是 edisonx 之別名 (nick name)，硬要再畫記憶體圖時，大概是長這樣吧

 簡單的說，edisonx 與 handsome 是一樣的東西。 (雖然有點不要臉，不過上面的邏輯就是這樣)

於是接下來，對 edisonx 做讀寫，與對 handsome 讀寫之效力是一樣的。

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int edisonx = 10;
    int &handsome=edisonx;
    cout << "edisonx=" << edisonx << '\n'; // output 10
    cout << "handsome=" << handsome << '\n'; // output 10
    handsome = 20;
    cout << "edisonx=" << edisonx << '\n'; // output 20
    cout << "handsome=" << handsome << '\n'; // output 20
    return 0;
}

reference 的東西不多說，要注意的地方很多，這部份要再翻其他的書做後備補充。接著直接考慮以下程式碼

void f(int &p)
{
    p = 10;
}

int main()
{
    int main_a=5;
    f(main_a);
    cout << "main_a=" << main_a;
    return 0;
}

這裡就沒什麼太多好說的部份，一開始  main_a = 5 時

使用 main_a 傳給 f(int &ref) 時，會將 ref 直接參照在 main_a 上，記憶體大致如下

於是 f(int &ref) { ref = 10; } 的時候，會直接更改該位置上之值

最後 f 執行完畢，回到 main ，nick name (ref) 消失

7. 傳遞陣列 / 指標

先想一下，陣列長怎樣

int a[5];
a[0] = 0, a[1]=1, a[2]=2, a[3]=3, a[4]=4;

 在讀取陣列元素時，實際上可以有不同的方式。

雖 a 本身為一陣列，但若用指標來表示其陣列元素的話，
第 0 個元素可以表示第 *(a+0)，也就是在記憶體位址 a 的地方，移 0 個 int 大小，也就是 a[0] 之意；
第 1 個元素可以表示第 *(a+1)，也就是在記憶體位址 a 的地方，移 1 個 int 大小，也就是 a[1] 之意；
第 i 個元素可以表示第 *(a+i)，也就是在記憶體位址 a 的地方，移 i 個 int 大小，也就是 a[i] 之意。

 記憶體可這麼看

接著討論函式傳遞一維陣列的問題。在這種函式裡面

int show_array(int array[], int Size)
{
    for(int i=0; i!=Size; ++i) cout << array[i] << ' ';
}

事實上那紅色引數 int array[] 即相當於 int *array，也就是實際上在傳遞的時候，是傳一個「指標給它」，
於是紅色部份也比較不建議寫成 int array[]，反而比較建議寫成 int *array，避免誤會。

考慮以下程式碼

#include <iostream>
using namespace std;

void show_array(int *a, int Size)
{
    for(int i=0; i!=Size; ++i){
       cout << a[i] << ' ';
    }
    cout << '\n';
}

int main()
{
    int a[5];
    a[0]=0, a[1]=1, a[2]=2, a[3]=3, a[4]=4;
    show_array(a, 3);
    return 0;
}

 一開始在 main  裡面的配置如下

 在 main 裡呼叫 show_array(a, Size) 時，實際上第一個引數傳的就是「變數 a 的位址值」，
所以在進入副函式時，記憶體會再配一個記憶體空間存變數 a 的位址值，另一個變數存Size，大致如下

接下來在副函式裡面要印出 a[0] 時，就先去看 *a 在哪裡 -> 找到 0x0000，印出內容 0
要印出 a[1] 時，從 0x0000 移一個 int 大小(4bytes)，到 0x0004 ，印出內容1，
要印出 a[2] 時，從 0x0000 移二個 int 大小(4bytes)，到 0x0008，印出內容2，依此類推。

再小改一下，看記憶體怎麼跑的。

#include <iostream>
using namespace std;

void show_array(int *a, int Size)
{
    for(int i=0; i!=Size; ++i){
       cout << a[i] << ' ';
    }
    cout << '\n';
}

int main()
{
    int a[5];
    a[0]=0, a[1]=1, a[2]=2, a[3]=3, a[4]=4;
    show_array(a+1,3);
    return 0;
}

事實上這和上面的分析都很像，唯一不同地方在於，
傳入副函式時，記的位置是 a+1 ，也就是 a[1] 的位址。

0x0000
0x0004
0x0008
0x000B
0x0010
….
0x1000
….
0x1010
*a
*(a+1)
*(a+2)
*(a+3)
*(a+4)
　
(sub) *a
　
Size
0
1
2
3
4
　
0x0004
　
3
 
 

至於其他的分析都一模一樣，

先去抓 a 位址，0x0004，印出其內容，輸出 1
再抓 a+1 位址，即 a 移一個 int 大小，0x0008，輸出 2
再抓 a+2 位址，即 a 移二個 int 大小，0x000b，輸出 3
依此類推。

本文敘述至此，由於吾人所看之書本，較少以畫圖方式詳解，於此觀念上盡以圖解方式說明，
其它觀念仍需再配合書籍參考，方可建立完整概念。