Vector / Reference / Pointer：先分清楚 Value、Object、Alias 與 Address

Learning outcomes

• 能解釋 vector 是 dynamic sequence，而不是「會自動長大的 array」這麼簡化。
• 區分 pass-by-value 與 pass-by-reference。
• 理解 &x 取 address、int& 宣告 reference、int* 宣告 pointer、*ptr dereference。
• 能判斷 null、dangling、out-of-bounds 與 invalidated reference 的風險來源。
• 理解 const reference 為何是常見 read-only interface。

1. Why now：前兩課的 Score 讀完就消失

for (...) {
    int score = 0;
    std::cin >> score;

    // after this iteration,
    // score object dies
}

如果要之後算平均、排序或套 bonus，你需要一個 container 保存多筆資料。

2. Mental model：Vector 擁有一段可變長度的 Element Sequence

#include 

std::vector scores = {
    80,
    90,
    100
};

scores.push_back(95);

vector 管理自己的元素 storage 與 size/capacity。你應透過它的 interface 使用，不需要自己手動 new/delete 一塊 raw array。

3. Worked Example A：Pass-by-Value 會複製 Argument Value

void addFive(
    int score
) {
    score += 5;
}

int score = 80;
addFive(score);

std::cout << score;
// 80

callee 的 score 是另一個 local object。

4. Worked Example B：Reference 是 Existing Object 的 Alias

void addFive(
    int& score
) {
    score += 5;
}

int score = 80;
addFive(score);

std::cout << score;
// 85

caller object:
score = 80

parameter:
int& score
→ alias same object

modify parameter
→ caller object becomes 85

5. const Reference：Borrow without Copy, but no Mutation

double average(
    const std::vector& scores
) {
    if (scores.empty()) {
        return 0.0;
    }

    int total = 0;

    for (int score : scores) {
        total += score;
    }

    return static_cast(
        total
    ) / scores.size();
}

這個 interface 表達兩件事：不複製整個 vector；function 不應修改 caller 的 vector。

6. Worked Example C：Range-for 裡 Reference 決定你改的是 Copy 還是 Element

for (int score : scores) {
    score += 5;
}
// vector unchanged

for (int& score : scores) {
    score += 5;
}
// vector elements changed

第一段每輪 score 是 copy；第二段是 element alias。

7. Pointer：保存 Address 的 Value

int score = 90;

int* ptr =
    &score;

std::cout << ptr;
std::cout << *ptr;

score object
  ↓ has address
&score
  ↓ store address
ptr
  ↓ dereference
*ptr
  ↓ access original object

8. Reference 與 Pointer 不等於 Ownership

int score = 90;

int& ref = score;
int* ptr = &score;

這兩個都可以指向/存取現有 object，但它們不自動回答「誰負責 object 的 lifetime」。Ownership 會到 135 再正式處理。

9. nullptr：沒有指向 Valid Object

int* ptr = nullptr;

if (ptr != nullptr) {
    std::cout << *ptr;
}

Dereference null pointer 是 undefined behavior。不要把「通常 crash」當成語言保證的唯一結果。

10. Dangling：Address 還留著，但 Object Lifetime 已結束

int* bad() {
    int local = 10;

    return &local;
}

function return 後 local object lifetime 結束；pointer 仍保存某個舊 address，但不再指向有效 object。

11. Vector Reallocation 也會影響 Reference / Pointer Validity

std::vector values = {
    1,
    2,
    3
};

int& first =
    values[0];

values.push_back(4);

// first may be invalidated
// if reallocation happened

Container mutation 可能使 references/pointers/iterators 失效。這不是 reference 語法本身壞，而是 underlying storage 移動。

12. Common mistakes

A. 把 & 當成固定一個意思

&x 是取 address；int& ref 是 reference declarator。

B. 把 raw pointer 當 ownership

它只保存 address-like value。

C. 以為 compile 成功代表 lifetime 安全

dangling 與 invalidation 常到 runtime 才爆。

D. 不必要地用 pointer

如果 value/reference 就能表達需求，不必為了「學 C++」硬用 raw pointer。

13. Debug evidence：Memory Bug 要先分類

null?
dangling?
out-of-bounds?
invalidated reference?
unexpected copy?
unexpected alias?

同樣是「值不對」，可能是 logic bug，也可能是 lifetime/alias 問題。先分類，再選工具。

14. Guided exercise：Bonus Function

void applyBonus(
    std::vector& scores,
    int bonus
) {
    // TODO
}

要求修改 caller vector；每筆最多 100。再把 parameter 改成 pass-by-value，觀察 caller 是否改變。

15. Independent exercise：Read-only Summary

寫：

int passedCount(
    const std::vector& scores
);

double average(
    const std::vector& scores
);

不允許修改 vector；empty case 要有明確 contract。

16. Challenge：Reference Invalidation Experiment

建立 vector、保存某元素 address/reference、持續 push_back，觀察 capacity 改變時 address 是否變化。不要把觀察結果誤寫成所有實作都固定的保證；重點是理解 reallocation 可能 invalidation。

Project checkpoint：CLI Grade Analyzer · Memory Model v3

stdin
  ↓
std::vector
  ├─ average(const&)
  ├─ passedCount(const&)
  └─ applyBonus(&)
        ↓
      mutate elements

下一課會把「程式碼本身」放回完整 build pipeline：compile / link / executable / process。

17. Vocabulary / Summary

• object：有 storage/lifetime 的程式實體。
• reference：現有 object 的 alias。
• pointer：可保存 address 的 object/value。
• dereference：透過 pointer 存取指向 object。
• dangling：指向 lifetime 已結束 object 的 reference/pointer。
• invalidation：container operation 讓既有 iterator/reference/pointer 不再有效。

18. Further reading

• cppreference — References
• cppreference — Pointers
• cppreference — vector