🧠 C 陣列與字串

在 C 語言中，當我們需要儲存一系列相同型態的資料時，陣列 (Array) 就成為一個不可或缺的工具。而字串 (String) 在 C 語言中則是一種特殊的陣列，專門用來處理文字資料。並說明如何利用 sizeof() 來檢查記憶體大小

🧮 陣列教學：一維與二維陣列

陣列(Arrays)

陣列是一個由相同資料型態的元素組成的集合，這些元素在記憶體中是連續存放的。我們可以透過索引 (Index) 來存取陣列中的每一個元素。

一維陣列 (One-Dimensional Arrays)

一維陣列是最基本的陣列形式，可以想像成一列連續的儲存格。

#include<stdio.h>

int main() {
    // 方法一：宣告時同時初始化
    int i_ary[] = {1, 2, 3};
    printf("i_ary 的內容為：%d %d %d\n", i_ary[0], i_ary[1], i_ary[2]);

    // 方法二：先宣告大小，再逐一賦值
    int i_ary2[4];
    i_ary2[0] = 5;
    i_ary2[1] = 10;
    i_ary2[2] = 15;
    i_ary2[3] = 20;
    printf("i_ary2 的內容為：%d %d %d %d\n", i_ary2[0], i_ary2[1], i_ary2[2], i_ary2[3]);

    // 使用 sizeof 運算子取得陣列在記憶體中的總大小 (位元組)
    printf("i_ary 的大小：%d bytes, i_ary2 的大小：%d bytes\n", sizeof(i_ary), sizeof(i_ary2));

    return 0;
}

📌 陣列宣告與存取規則：

1. 宣告與初始化：

   • 如 int i_ary[] = {1, 2, 3}; 所示，我們可以在宣告時使用大括號 {} 提供初始值。此時，編譯器會根據初始值的數量自動計算陣列的大小（此例中為 3）。或者，我們可以像 int i_ary2[4]; 這樣，明確指定陣列的大小。宣告後，可以透過索引單獨為每個元素賦值。

2. 索引 (Index)：

   • 陣列的索引永遠從 0 開始。對於一個大小為 N 的陣列，其有效的索引範圍是 0 到 N-1。
   • 例如，i_ary[0] 代表存取 i_ary 的第一個元素，其值為 1。i_ary2[3] 則是存取 i_ary2 的第四個（也是最後一個）元素。

3. sizeof 運算子：

   • sizeof(陣列名稱) 會回傳整個陣列在記憶體中所佔用的總位元組數，如此例，sizeof(i_ary) 會回傳總共佔用的位元組數（3 個 int = 12 位元組）。
   • 以上述程式碼為例，假設 int 型態佔用 4 個位元組。
     • sizeof(i_ary) 的結果會是 3 (元素個數) * 4 (每個 int 的大小) = 12。
     • sizeof(i_ary2) 的結果會是 4 (元素個數) * 4 (每個 int 的大小) = 16。

二維陣列 (Two-Dimensional Arrays)

二維陣列可以視為「陣列的陣列」，常被用來模擬表格或矩陣結構，具有列 (rows) 和行 (columns) 的概念，而二維陣列 int arr[rows][cols] 記憶體中是 row-major 儲存（列優先）。

#include<stdio.h>

int main() {
    // 宣告一個 4 列 3 行的二維陣列並初始化
    int i_ary2D[4][3] = {
        {1, 2, 3}, 
        {4, 5, 6}, 
        {7, 8, 9}, 
        {10, 11, 12}
    };
    printf("i_ary2D 的內容：\n%d %d %d \n%d %d %d \n%d %d %d \n%d %d %d \n",
           i_ary2D[0][0], i_ary2D[0][1], i_ary2D[0][2],
           i_ary2D[1][0], i_ary2D[1][1], i_ary2D[1][2],
           i_ary2D[2][0], i_ary2D[2][1], i_ary2D[2][2], 
           i_ary2D[3][0], i_ary2D[3][1], i_ary2D[3][2]);

    // 宣告一個 3 列 3 行的二維陣列並逐一賦值
    int i_ary2D_2[3][3];
    i_ary2D_2[0][0] = 2; i_ary2D_2[0][1] = 4; i_ary2D_2[0][2] = 6;
    i_ary2D_2[1][0] = 8; i_ary2D_2[1][1] = 10; i_ary2D_2[1][2] = 12;
    i_ary2D_2[2][0] = 14; i_ary2D_2[2][1] = 16; i_ary2D_2[2][2] = 18;
    printf("\ni_ary2D_2 的內容：\n%d %d %d \n%d %d %d \n%d %d %d \n", 
           i_ary2D_2[0][0], i_ary2D_2[0][1], i_ary2D_2[0][2],
           i_ary2D_2[1][0], i_ary2D_2[1][1], i_ary2D_2[1][2],
           i_ary2D_2[2][0], i_ary2D_2[2][1], i_ary2D_2[2][2]);

    // 取得二維陣列的總大小
    printf("\ni_ary2D_2 的大小：%d bytes\n", sizeof(i_ary2D_2));

    return 0;
}

1. 二維陣列規則宣告與存取：

   • 宣告語法為 資料型態 陣列名稱[列數][行數];。例如 int i_ary2D[4][3]; 表示一個擁有 4 列 (rows) 3 行 (columns) 的整數陣列。
   • 存取元素需要兩個索引：陣列名稱[列索引][行索引]。例如 i_ary2D[1][2] 代表存取第 2 列 (row index 1) 的第 3 行 (column index 2) 的元素，其值為 6。

2. sizeof 運算子：

   • 對於二維陣列，sizeof 同樣會回傳整個陣列所佔用的總位元組數。
   • 以上述程式碼為例，sizeof(i_ary2D_2) 的結果會是 3 (列數) * 3 (行數) * 4 (每個 int 的大小) = 36。

📝 i_ary2D[4][3] 記憶體配置如下：

i_ary2D:  [0][0] [0][1] [0][2]
          [1][0] [1][1] [1][2]
          [2][0] [2][1] [2][2]
          [3][0] [3][1] [3][2]

💬 字串教學：字元陣列與字串

#include<stdio.h>

int main() {
    // 使用字串字面值初始化字元陣列
    char c_str[] = "Hello, World!";
    
    // 使用 %s 輸出整個字串
    printf("字串內容：%s \n", c_str);
    
    // 字串本身也是陣列，可用索引存取單一字元
    printf("第1個字元：%c, 第8個字元：%c \n", c_str[0], c_str[7]);
    
    // 計算字串陣列的大小，字串後方自動補上 '\0'
    printf("c_str 陣列的大小：%d bytes\n", sizeof(c_str));

    // 字串陣列 (二維字元陣列)
    char c_str_2D[3][4] = {"abc", "def", "ghi"};
    printf("\n字串陣列內容：\n%s\n%s\n%s\n", c_str_2D[0], c_str_2D[1], c_str_2D[2]);

    return 0;
}
}

📌 字串規則與注意事項：

1. 宣告與空元字元 \0：

   • 當我們使用雙引號 " 建立一個字串（如 "Hello, World!"）來初始化一個字元陣列時，編譯器會自動在字串的末尾補上 \0 null 終止字元 結尾。
   • c_str 陣列的實際內容是 H, e, l, l, o, ,, , W, o, r, l, d, !, \0。

2. sizeof 與字串：

   • 因為 \0 的存在，sizeof(c_str) 的結果會是字元數量再加 1。
   • "Hello, World!" 共有 13 個字元，加上結尾的 \0，所以 sizeof(c_str) 的結果是 14 (bytes)。這就是您註解中提到的「字串後方要多個空間」的原因，該空間就是為了存放 \0。

3. printf 的 %s：

   • 當 printf 遇到 %s 格式控制符號時，它會從指定的記憶體位址開始，逐一印出字元，直到遇到 \0 為止。\0 本身不會被印出來。

4. 字串陣列：

   • 若要儲存多個字串，可以使用二維字元陣列，例如 char c_str_2D[3][4]。
   • 這裡 [3] 代表可以儲存 3 個字串，[4] 代表每個字串的最大長度是 3 個字元，因為還需要保留 1 個空間給 \0。如果試圖存入像 "abcd" 這樣長度為 4 的字串，就會因為沒有空間存放 \0 而導致錯誤。

🖼️ 圖示："abc" 在記憶體中的配置

索引:   [0]  [1]  [2]  [3]
內容:   'a'  'b'  'c'  '\0'

👀 注意：若未預留 \0，使用 %s 輸出將導致未定行為（可能繼續讀到亂碼）。