這篇文章簡略紀錄一下 C/C++ pointer to array 和 array of pointers 的差異。從字面上理解兩者的差異很容易，pointer to array 即為指向陣列的指標，而 array of pointers 就是一個含有指標的陣列。雖然字面上的意義很好理解，並且在 C/C++ 的世界裡兩者的語法非常接近，但他們卻有天壤之別的差異，而且我發現很多 C/C++ 學習者並沒有搞清楚兩者的區別，所以將在這篇文章簡介 C/C++ 裡面 pointer to array 和 array of pointers 的差別以及使用方式。
Array of pointers 與 Pointer to array 的語法差異
我們先從兩者的語法差異開始，舉例來說，如果想要宣告一個包含 4 個 int 指標的陣列，以及一個指標指向長度為 4 的 int 陣列，各自的語法如下：
int *array[4]; // array of pointers
int (*ptr)[4]; // pointer to array兩者在語法上的宣告方式很像，只差在有無 () 而已，但小小的差異就會造成特性上的不同。因為 array 是一個陣列，並且包含 4 個 int 指標，可以分別指向不同的記憶體位置，如下圖左。
另一方面，ptr 是一個指標，並且只能指向一個長度為 4 的 int 陣列，如上圖右。與一般 int 指標不同的是，ptr + 1 將會指向 4×4 bytes 後的地方，而不是 4 bytes 後的位置(註：通常 int 的長度為 4 bytes)。舉例來說，若 ptr 指向的位址是 0xF000 6000，那 ptr + 1 將會指向 0xF000 6010。
#include <iostream>
int main()
{
int array[4][4] = {{ 0 }};
int *int_ptr = array[0];
int (*array_ptr)[4] = array;
std::cout << "int_ptr points to " << int_ptr << std::endl;
std::cout << "int_ptr + 1 points to " << int_ptr + 1 << std::endl << std::endl;
std::cout << "array_ptr points to " << array_ptr << std::endl;
std::cout << "array_ptr + 1 points to " << array_ptr + 1 << std::endl;
/*
result:
int_ptr points to 0x61fec8
int_ptr + 1 points to 0x61fecc
array_ptr points to 0x61fec8
array_ptr + 1 points to 0x61fed8
*/
return 0;
}Example of Application：array of pointers
array of pointers 可以用來宣告一個可變大小的矩陣，例如我們想建造一個 $4\times n$ 的矩陣，此時我們就可以利用 array of pointers 完成。
void print_matrix(int size) {
int *matrix[4];
for (int idx = 0; idx < 4; ++idx) {
matrix[idx] = new int[size];
for (int jdx = 0; jdx < size; ++jdx) {
matrix[idx][jdx] = 0;
std::cout << matrix[idx][jdx] << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
}但是個人平常比較少使用到 array of pointers，因為 std::vector 或是 dynamic array 都可以完成相同的要求，而且彈性比較高。我認為 array of pointers 主要的優勢應該在於速度快於其它兩者，因此對於速度有極致要求的狀況下可以考慮使用。以下程式碼簡單做一個測試，我們利用 array of pointers 以及 dynamic 的方式分別定義兩個矩陣 matrix1 和 matrix2，並且測試將矩陣內的所有元素值設為 10 所需的時間，藉此我們可以一窺 array of pointers 和 dynamic array 的記憶體存取速度差距。最後我們發現存取 $100\times 100000$ 大小的矩陣，array of pointers 需要的時間都比 dynamic array 還要快 0.001~0.007 秒，大約暫總時間 2%~10%。
/*
Time of static array: 0.048
Time of dynamic array: 0.055
*/
void print_performance() {
int size = 100000;
clock_t start, finish;
int *matrix1[100];
int **matrix2 = new int*[100];
for (int idx = 0; idx < 100; ++idx) {
matrix1[idx] = new int[size];
matrix2[idx] = new int[size];
for (int jdx = 0; jdx < size; ++jdx) {
matrix1[idx][jdx] = 0;
matrix2[idx][jdx] = 0;
}
}
start = clock();
for (int idx = 0; idx < 100; ++idx) {
for (int jdx = 0; jdx < size; ++jdx) {
matrix1[idx][jdx] = 10;
}
}
finish = clock();
std::cout << "Time of static array: " << ((double)(finish - start))/CLOCKS_PER_SEC << std::endl;
start = clock();
for (int idx = 0; idx < 100; ++idx) {
for (int jdx = 0; jdx < size; ++jdx) {
matrix2[idx][jdx] = 10;
}
}
finish = clock();
std::cout << "Time of dynamic array: " << ((double)(finish - start))/CLOCKS_PER_SEC << std::endl;
}Example of Application：pointer to array
假設我們正在開發韌體，並且有一連串的記憶體位置 0xF000 0000 - 0xF000 03FF 可以用來設置暫存器的值，而且這些暫存器分為兩組，每組長度 512 bytes，分別用來設置 channel 0 (0xF000 0000 - 0xF000 01FF) 和 channel 1 (0xF000 0200 - 0xF000 03FF) 上的暫存器。此時我們可以定義一個指向長度為 512 陣列的指標，並且使該指標指向 0xF000 0000，我們就可以利用該指標輕鬆對 channel 0 和 channel 1 做設定。
以下範例我們將 R32_REG 定義為一個 pointer to array，且陣列長度為 512。因此 R32_REG[0] 指向的記憶體位置是 0xF000 0000，而 R32_REG[1] 則直接跳到 0xF000 0200，也就是 channel 1 的位置。假設我們要設置第 12 個暫存器，我們可以利用 R32_REG[0][12] 以及 R32_REG[1][12] 找到該暫存器的位置並直接對其做設置。
#define REG_START 0xF0000000
#define R32_REG ((int (*)[512])REG_START)
void print_register() {
std::cout << "Channel 0 first register: " << R32_REG[0][0] << std::endl;
std::cout << "Channel 1 first register: " << R32_REG[1][0] << std::endl;
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