Lecture 6-2: Array & String (1)

What is Array?

將一個變數能夠儲存多個值，並且用數字進行編號 (index) 並且利用數字存取 (i.e. random access)

random illustration

Fibonacci number

$$ \begin{align} F_0 &= 0 \\ F_1 &= 1 \\ F_n &= F_{n-1} + F_{n-2}, n \ge 2 \end{align}$$

Modified from fibonacci-time-analysis/fib.cpp at master · christopher-siewert/fibonacci-time-analysis (github.com)

#include <iostream>

int main()
{
    int n = 0;
    std::cout << "fib number: ";
    std::cin >> n;

    unsigned long long int f[100000]; /// array for values
    f[0] = 0;
    f[1] = 1;
    /// Loop from 2 to n
    for (int i = 2; i <= n; i++)
    {
        f[i] = f[i - 1] + f[i - 2]; /// Equals sum of previous 2
    }
    std::cout << f[n] << std::endl;
    return 0;
}

character array (C String)

Credit: htchen/i2p-nthu by 陳煥宗老師

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <cstring>

int main(void)
{
    float minutes, distance;
    const float SPEED = 0.083;
    int size, letters;
    char name[10];
    std::cout << "Hi! What's your first name? ";
    std::cin >> name;
    std::cout << std::endl
              << name
              << ", how many minutes does it take to walk from"
              << std::endl;
    std::cout << "your dormitory to the CS building? ";
    std::cin >> minutes;
    size = sizeof(name);
    letters = strlen(name);
    distance = minutes * SPEED;
    std::cout << std::endl
              << "The distance from your dormitory to the CS building"
              << std::endl;
    std::cout << "is about "
              << std::setprecision(3) << distance
              << " kilometers.\n\n";
    std::cout << "By the way, your first name has "
              << letters
              << " letters,\n";
    std::cout << "and we have "
              << size
              << " bytes to store it in.\n";
    return 0;
}

我們來看看這個程式做了哪些事情以及用到了哪些新的東西。 執行這個程式會得到類似下面的結果:

$ ./a.out
Hi! What's your first name? Stevie⏎

Stevie, how many minutes does it take to walk from
your dormitory to the CS building? 10⏎

The distance from your dormitory to the CS building
is about 0.83 kilometers.

By the way, your first name has 6 letters,
and we have 10 bytes to store it in.

程式先用 std::cout 顯示訊息，詢問使用者的名字，然後用 std::cin 來讀取使用者輸入的 "字串"，把字串儲存在變數name 裡面。 再來就可以用儲存起來的字串稱呼使用者，並且問一個簡單的問題，再把計算結果顯示在螢幕上。 程式裡面用到的新東西首先是 #include <cstring>。 回想當初程式需要 #include <iostream> 是因為要用到 std::cout，同樣地，引入 cstring 是為了要用到其中相關的 function，在這個例子用到的是 strlen() 這個 function，它可以計算字串變數裡面所儲存的字串的長度。 傳入的參數是字串，傳回的整數值就是字串長度，以 Stevie 為例，長度是 6。 字串其實是靠所謂的character array 來儲存。

char name[10];

表示 name 會佔用到十個 bytes 的記憶體，等於是有十個空位，每個空位的大小是一個 byte，每個 byte 的空間可以存放一個字元。

字元陣列 character arrays 與字串

Stevit\0

字串裡的字元必須連續地存放在記憶體中，所以剛好可以用陣列來儲存，因為陣列就是一連串的記憶體空間。字元陣列的每一格空間可以存放一個字元 (char)，當我們宣告 char name[10]; 表示要保留十格空間存放十個字元，每一格可以容 納一個 char 型別的資料。當然除了 char 之外，也可用其他型別如 int 來宣告陣列，目前我們先專心探討字元陣列。為了標記整個字串究竟在哪裡算是結尾，c++ 語言使用一個特殊的字元 \0 來表示字串結尾。字元 \0 對應到的 ASCII 值是 0。我們也可以用整數 0 來代替字元 \0，但為了有所區別，當字元使用時最好寫成 \0。

宣告一個字元變數和宣告一個陣列的差別可以用下圖來表示。

char ch;   // 佔用一個 byte，型別為 char
char name[10];　// 佔用十個 bytes，型別為 char

宣告陣列產生一個可以容納十個字元的 array，準備用來記錄使用者輸入的字串 (使用者的名字)。 因為要保留一格給 \0 字元來標示字串結尾，所以其實真正能用來記錄的人名長度，最多只能包含九個字元。 如何把字串存入陣列中呢？在前面的例子裡用的方法是 std::cin >> name; 讀取使用者輸入的字串。 參數 name 就是要存放字串的陣列名稱，這個名稱所代表的意義是整個字串的開頭位址。 因此 std::cin就能由 name 找到陣列開頭位址，一格一格把字元填進去，而且會自動在最後加上 \0 當作結束。

再回到範例，裡面用到 sizeof，它可以計算型別 (譬如 sizeof(float)) 或資料 (譬如 sizeof(name) 或 sizeof("Stevie")) 的 byte 數。 若把它用在宣告過的陣列上，它會告訴我們陣列有多少個bytes，如果是 char name[10]; 就是 10 bytes。另外 #include <cstring> 是為了用 strlen() 這個 function，它是針對字串而設計的function，可以算出字串長度。 字串長度是靠 \0 來界定，所以如果把某個字串當參數傳給 strlen()，它就會一個字元一個字元地數，直到遇到 \0'就停下來，然後回報字串長，看看底下例子中的差異：

#include <iostream>
#include <cstring>
int main(void)
{
    std::cout << "The length of string is "
              << strlen("Stevie")
              << ", but "
              << sizeof("Stevie")
              << " bytes are occupied.\n";
    return 0;
}

Reference: