C語言練習題：指標(C language exercise: Pointer)

指標的慣念可以看 C語言: 超好懂的指標，初學者請進

Pointer concepts:

1. Pointers in C Programming: What is Pointer, Types & Examples

2. Introduction to C Pointers

🧩 學習脈絡

基礎操作：從宣告、取值開始（練習一～三）。
進階應用：陣列、指標運算、字串處理（練習四～八）。
安全與抽象：空指標檢查、函式指標（練習九～十）。

⚠️ 注意事項

記憶體管理：malloc() 與 free() 必須成對使用，避免記憶體洩漏。
空指標檢查：存取 NULL 指標會造成程式崩潰。
函式指標：靈活但容易出錯，需確保型別一致。

練習一：基本語法

宣告指標、取變數位址、透過指標取值。
範例程式展示 & 與 * 的基本用法。

設計一個C語言程式來呈現指標的語法，例如宣告、取址、取值等。

Exercise 1: Basic Syntax

Design a C program to demonstrate the basic syntax of pointer. Such as declaration, address and value.

練習一參考解法：
Exercise 1 solution:

/*
Pointer Basic Syntax
Author: Holan
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int n = 50;

    // declaration
    int *ip;

    // assignment
    ip = &n;

    printf("The value of &n:%X\n", &n);
    printf("The value of n:%i\n", n);

    printf("The value of &ip:%X\n", &ip);
    printf("The value of ip:%X\n", ip);
    printf("The value of *ip:%i\n", *ip);
    return 0;
}

練習二：動態記憶體配置

使用 malloc() 配置記憶體，並用 free() 釋放。
強調檢查 NULL 以避免配置失敗。

撰寫用 malloc() 與 free() 來配置記憶體的程式。

Exercise 2: Dynamic Memory Allocation
Write a C program to allocate memory.

練習二參考解法：
Exercise 2 solution:

/*
Dynamic memory allocation
Author: Holan
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int n;
    int *pI;

    printf("How many integers? ");
    scanf("%d", &n);

    // using malloc to allocate memory
    pI = (int *) malloc(n*sizeof(int));

    if(pI == NULL) // if fail to allocate
    {
        printf("Couldn't allocate memory\n");
        return 0;   // exit
    }

    // Releasing the memory allocated by malloc
    free(pI);

    return 0;
}

練習三：兩數相乘

透過指標存取輸入的兩個整數，並計算乘積。

使用指標的方式，將兩個數字相乘。

Exercise 3: Multiplying two numbers
Multiplying two numbers with pointers.

練習三參考解法：
Exercise 3 solution:

/*
Multiplying two numbers with pointers
Author: Holan
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int n1, n2;
    int *pn1, *pn2, product;

    printf("Enter num1:");
    scanf("%d", &n1);

    printf("Enter num2:");
    scanf("%d", &n2);

    pn1 = &n1;
    pn2 = &n2;

    product = *pn1 * *pn2;

    printf("The product of %d and %d is %d\n", *pn1, *pn2, product);
    return 0;
}

練習四：指標與陣列

使用指標存取陣列元素，展示 *(p+i) 的用法。

使用指標的語法來取得整數陣列的元素。

Exercise 4: Pointer and array

Using a pointer to access the elements of an integer array.

練習四參考解法：
Exercise 4 solution:

/*
Pointer and array
Author: Holan
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define N 5
int main()
{
    int a[N] = { 2, 3, 5, 7, 11};
    int *pI = a;

    for(int i = 0; i < N; i++)
        printf("a[%d] = %d\t", i, *(pI + i));
    return 0;
}

練習五：指標運算

練習指標遞增與遞減，等同於陣列索引存取。

在練習四時，使用到指標與整數相加的運算。而本題請使用遞增與遞減來達成與練習四一樣的功能。

Exercise 5: Pointer Arithmetic
In exercise 4, the operation: "a pointer plus a integer" is used. Could we use pointer increment and decrement to do exercise 4?

這篇連結文章可以幫助瞭解指標運算。
Here is a tutorial: "How pointer arithmetic works?"

練習五參考解法：
Exercise 5 solution:

/*
Pointer Arithmetic: increment and decrement
Author: Holan
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define N 5
int main()
{
    int a[N] = { 2, 3, 5, 7, 11};
    int *pI = a;

    printf("Pointer increment:");
    // pointer increment
    for(int i = 0; i < N; i++)
        printf("a[%d] = %d\t", i, *(pI++));


    printf("\n\nPointer decrement:");
    // pointer decrement
    for(int i = N - 1; i >= 0; i--)
        printf("a[%d] = %d\t", i, *(--pI));

    return 0;
}

練習六：字串長度

使用指標遍歷字串直到 '\0'，計算字串長度。

使用指標語法來求出所輸入字串的長度。

Exercise 6: The length of a string
Using pointer to calculate the length of a user input string.

練習六參考解法：
Exercise 6 solution:

/*
Length of a string
Author: Holan
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    char str[100];
    int len = 0;

    printf("Enter a string:");

    // Input a string with whitespaces
    scanf("%[^\n]s", str);

    char *pC = str;

    while(*pC != '\0')
    {
        len++;
        pC++;
    }

    printf("The length of the given string[%s] is:%d", str, len);

    return 0;
}

練習七：交換兩數

透過 call by reference 設計 swap() 函式，交換兩個數值。

使用 call by reference 的方式，設計一個可以交換兩數的函式。

Exercise 7: Swap two numbers
Using call by reference to design a function that swaps two numbers.

練習七參考解法：
Exercise 7 solution:

/*
Swap two numbers
Author: Holan
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void swapV(double *x, double *y);

int main()
{
    double n1, n2;

    printf("Enter number 1:");
    scanf("%lf", &n1);

    printf("Enter number 2:");
    scanf("%lf", &n2);

    printf("Before swap n1:%lf, n2:%lf", n1, n2);
    swapV(&n1, &n2);
    printf("\nAfter swap n1:%f, n2:%f", n1, n2);

    return 0;
}

void swapV(double *x, double *y)
{
    double t = *x;
    *x = *y;
    *y = t;
}

練習八：字串合併

使用指標將兩字串合併到第三個字串中。

使用指標語法來合併兩字串。

Exercise 8: String concatenation
Using pointer to concatenate two strings.

練習八參考解法：
Exercise 8 solution:

/*
String concatenation
Author: Holan
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define LEN 256
int main()
{
    char str1[LEN];
    char str2[LEN];
    char str3[LEN*2];

    printf("Enter str1:");
    scanf("%[^\n]%*c", str1);

    printf("Enter str2:");
    scanf("%[^\n]%*c", str2);

    char *pC = str1;
    char *pStr = str3;

    while(*pC)
    {
        *pStr = *pC;
        pC++;
        pStr++;
    }

    pC = str2;
    while(*pC)
    {
        *pStr = *pC;
        pC++;
        pStr++;
    }

    // end with '\0'
    *pStr = '\0';
    printf("Str1:%s, Str2:%s, Str3:%s", str1, str2, str3);

    return 0;
}

練習九：空指標

練習 NULL 指標，理解存取空指標會造成程式錯誤。

常見的觀念可參考「空指標與NULL」。

請撰寫一程式來練習空指標的語法。

Exercise 9: null pointer
Please refer to this tutorial: NULL pointer in C.
Design a C program to practice the null pointer syntax.

練習九參考解法：
Exercise 9 solution:

/*
NULL pointer
Author: Holan
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int *iP = NULL;

    if(iP == NULL)
    {
        printf("The value of iP is %u", iP);

        // Couldn't access to *iP
        // The following code will crush
        printf("The value of *iP is %d", *iP);
    }
    else
    {
        printf("The value of iP is %u", iP);
        printf("The value of *iP is %d", *iP);
    }

    return 0;
}

練習十：函式指標

使用函式指標呼叫加、減、乘、除等運算函式。

可參考此篇文章：[C語言] function pointer介紹來了解 function pointer。

請設計一程式來練習 function pointer，例如兩數字的加、減、乘、除等運算。

Exercise 10: Function Pointer
Please refer to this tutorial: Function pointers in C.
Design a C program to practice function pointer. For example, addition, subtraction, multiplication and division of two numbers.

練習十參考解法：
Exercise 10 solution:

/*
Function pointers
Author: Holan
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

double add(double n1, double n2);
double sub(double n1, double n2);
double mul(double n1, double n2);
double divi(double n1, double n2);

int main()
{
    double a = 3.44, b = 9.999;

    double (*op)(double, double) = add;

    printf("The addition of %f and %f is %f\n", a, b, op(a, b));

    op = sub;
    printf("The subtraction of %f and %f is %f\n", a, b, op(a, b));

    op = mul;
    printf("The multiplication of %f and %f is %f\n", a, b, op(a, b));

    op = divi;
    printf("The division of %f and %f is %f\n", a, b, op(a, b));

    return 0;
}

double add(double a, double b) { return a + b;}
double sub(double a, double b) { return a - b;}
double mul(double a, double b) { return a * b;}
double divi(double a, double b) { return a / b;}

程式碼盲點補充與延伸說明：

練習一：基本語法（宣告、取址、取值）

原文精要：呈現基本語法，使用 &n 取得變數 n 的記憶體位址，並用 int *ip 宣告指標來儲存該位址；再透過 *ip（解引用）取得該位址所存放的數值。
進階解析與盲點補充：
1. 格式化字串的選擇：原文使用 %X（十六進位）來印出記憶體位址。但在現代標準 C 語言中，印出指標位址最標準、最安全的作法是使用 %p，並且將其強制轉型為 (void *)。因為指標的長度在 32 位元和 64 位元系統下不同，%p 能保證正確的輸出格式。
2. * 符號的多重身份：
  - int *ip; 裡的 * 代表型態宣告（這是一個指向整數的指標）。
  - *ip 裡的 * 代表運算子（解引用 / Dereference），意思是「去拿這個位址裡面裝的值」。

練習二：動態記憶體配置（`malloc` 與 `free`）

原文精要：使用者輸入數量 n，利用 malloc(n * sizeof(int)) 在堆疊（Heap）動態要一塊空間，最後用 free() 釋放。
進階解析與盲點補充：
1. 記憶體洩漏（Memory Leak）：只要用了 malloc()，就必須在不需要時呼叫 free()，否則該記憶體會一直被佔用直到程式結束。
2. 安全性檢查：原文有寫到 if(pI == NULL) 的檢查，這是非常優良的習慣！因為當系統記憶體不足時，malloc 會返回 NULL。
3. 懸空指標（Dangling Pointer）：在執行 free(pI); 之後，pI 依然指向原本的那個記憶體位址，但那塊位址已經不能用了。安全的實務作法是在 free(pI); 後，緊接著補上一句 pI = NULL;，避免後續不小心誤用。

練習三：兩數相乘

原文精要：透過兩個指標 pn1 與 pn2 分別指向 n1、n2，然後透過 *pn1 * *pn2 計算乘積。
進階解析與盲點補充：
- 可讀性陷阱：product = *pn1 * *pn2; 這行程式碼在編譯器眼中是完全合法的（第一個 * 是解引用，第二個 * 是乘號，第三個 * 是解引用）。但是對於人類閱讀來說容易混淆。在團隊開發或考試中，建議寫成 product = (*pn1) * (*pn2);，加上括號可讀性會大幅提升。

練習四：指標與陣列

原文精要：陣列名稱本身就是一個指向陣列第一個元素的常數指標。原文設定 int *pI = a;，並用 *(pI + i) 來走訪陣列。
進階解析與盲點補充：
- 等價關係：在 C 語言中，a[i] 其實完全等價於 *(a + i)。
- 當我們寫 *(pI + i) 時，底層並不是單純的「位址數字加 i」。編譯器會根據指標的型態（這裡是 int，佔 4 bytes），自動將其轉換為 位址 + (i * 4)。這就是指標的「步進（Stride）」概念。

練習五：指標運算（遞增與遞減）

原文精要：利用 *(pI++) 和 *(--pI) 達到前進與後退走訪陣列的效果。
進階解析與盲點補充：
- 算符優先權（極重要）：*(pI++) 包含了解引用 * 和後置遞增 ++。
  - 後置遞增 ++ 的優先權高於 *，但它是「先取值、後加 1」。
  - 所以 *(pI++) 的運作邏輯是：先取出當前 pI 指向的值，接著 pI 指標往後移動一個單位（指向下一個元素）。
- 原文在後半段倒序印出時，使用 *(--pI)。因為前進迴圈結束後，pI 已經指向了陣列界限外的下一個位置（即 a[5] 的位置），所以必須先「前置遞減 --」讓指標退回 a[4]，再進行解引用。

練習六：字串長度

原文精要：字串在 C 語言中是以 \0（Null terminator）結尾的字元陣列。透過 while(*pC != '\0') 讓指標逐字元往後移，直到遇到終止符。
進階解析與盲點補充：
1. scanf 技巧：原文用了 scanf("%[^\n]s", str);，這是一個進階的格式化輸入法，代表「讀取直到遇見換行符號為止」，這樣可以讀入包含空格的句子，比單純的 %s 更實用。
2. 精簡寫法：因為 \0 的 ASCII 碼就是 0（布林值為偽），所以 while(*pC != '\0') 在實務上常常被簡寫為更漂亮的 while(*pC)。

練習七：交換兩數（傳址呼叫 Call by Reference / Pointer）

原文精要：C 語言本質上只有 Call by value。若要在函式內部改變外部變數的值，必須傳遞該變數的「記憶體位址」，即 swapV(&n1, &n2);。
進階解析與盲點補充：
- 如果在函式內寫 void swap(int x, int y)，裡面做交換只會換到區域變數（副本），外面的 n1, n2 毫無影響。
- 透過傳遞指標 void swapV(double *x, double *y)，函式內的 *x 和 *y 就直接代表了外面的 n1 和 n2，這才能真正成功交換數值。

練習八：字串合併

原文精要：不使用標準庫 <string.h> 的 strcat，而是手動用指標將 str1 與 str2 的字元依序複製到 str3 中。
進階解析與盲點補充：
1. 最關鍵的一步：原文最後加上了 *pStr = '\0';。這是手動操作字串絕對不能忘記的步驟！如果沒有手動補上字串結束符，printf 在印出 str3 時就會因為找不到結尾而繼續往後讀取亂碼，甚至導致程式崩潰。
2. 緩衝區溢位風險：str3 的大小宣告為 LEN*2。實務上必須確保 str1 長度 + str2 長度小於 LEN*2，否則會發生記憶體覆蓋的危險。

練習九：空指標（NULL Pointer）

原文精要：展示宣告 int *iP = NULL;。當指標為 NULL 時，絕對不可以進行解引用（*iP），否則程式會直接崩潰（Segmentation Fault）。
進階解析與盲點補充：
- 安全防護網：空指標代表「該指標目前沒有指向任何合法的記憶體空間」。在實際開發中，任何接收指標的函式，開頭第一步通常都是檢查指標是否為 NULL（如：assert(p != NULL); 或 if(p == NULL) return;），這能過濾掉 80% 以上的執行期錯誤。

練習十：函式指標（Function Pointer）

原文精要：指標不僅能指向數據，還能指向「程式碼所在的記憶體位址」（即函式）。原文宣告了 double (*op)(double, double) = add;，並透過切換 op 來執行不同的數學運算。
進階解析與盲點補充：
1. 語法拆解：double (*op)(double, double)
  - (*op)：這是一個指標，名字叫 op。
  - 後面的 (double, double)：它指向的函式必須接收兩個 double 參數。
  - 最前面的 double：它指向的函式必須回傳 double。
  - 注意：括號不可省略。如果寫成 double *op(double, double)，會變成「宣告一個名為 op 的函式，它回傳一個 double * 指標」。
2. 實務應用：函式指標是 C 語言實現「多型（Polymorphism）」和「回呼函式（Callback Function）」的核心。例如標準庫的快速排序 qsort()，就是透過傳入函式指標來決定排序是升冪還是降冪。

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