Алгоритмизации

• Название: Алгоритмизации
• Дата: 27.09.2022
• Размер: 1.15 Mb.
• Имя файла: 12_100229_1_124427 (1).docx
• Тип: Документы; #700459
• страница: 14 из 67

ГЛАВА 9. Указатели

1. Определениеуказателей

При обработке декларации любой переменной, например double x=1.5; компилятор выделяет для переменной участок памяти, размер которого определяется ее типом (double– 8 байт), и инициализирует его указанным значением (если таковое имеется). Далее все обращения в программе к

переменной по имени заменяются компилятором на адрес участка памяти, в котором будет храниться значение этой переменной. Разработчик программы на языке Си имеет возможность определить собственные переменные для хранения адресов участков оперативной памяти. Такие переменные называются указателями.

Итак, указатель – это переменная, которая может содержать адрес некоторого объекта. Простейшая декларация указателя имеет формат

тип* ID_указателя;

Например: int *a; double *f; char *w;

Здесь тип может быть любым, кроме ссылки или битового поля, причем типможет быть к этому моменту только декларирован, но еще не определен (следовательно, в структуре, например, может присутствовать указатель на структуру того же типа).

Символ «звездочка» относится непосредственно к ID указателя, поэтому для того, чтобы декларировать несколько указателей, ее нужно записывать перед именем каждого из них.

Например, в декларации: int *a, *b, с;

определены два указателя на участки памяти для целочисленных данных, а также обычная целочисленная переменная с.

Значение указателя равно первому байту участка памяти, на который он ссылается.

Указатели предназначены для хранения адресов областей памяти. В языке Cи имеются три вида указателей – указатели на объект известного типа, указатель типаvoid и указатель на функцию. Эти три вида различаются как своими свойствами, так и набором допустимых операций. Указатель не является самостоятельным типом данных, так как всегда связан с каким-либо конкретным типом, т.е. указатель на объект содержит адрес области памяти, в которой хранятся данные определенного типа.

Указатель типа voidприменяется в тех случаях, когда конкретный тип объекта, адрес которого требуется хранить, не определен (например, если в одной и той же переменной в разные моменты времени требуется хранить адреса объектов различных типов).

Указателю типа voidможно присвоить значение указателя любого типа, а также сравнивать его с любыми другими указателями, но перед выполнением каких-либо действий с участком памяти, на которую он ссылается, требуется явно преобразовать его к конкретному типу.

Указатель может быть константой или переменной, а также указывать на константу или переменную.

С указателями-переменными связаны две унарные операции & и *.

Операция & означает «взять адрес» операнда. Операция * имеет смысл – «значение,расположенноепоуказанномуадресу» (операция разадресации).

Таким образом, обращение к объектам любого типа как операндам операций в языке Cи может производиться:

• 
  по имени (идентификатору);
  
• 
  по указателю (операция косвенной адресации):
  

ID_указателя=&ID_объекта; – операция разыменования;

*ID_указателя – операция косвенной адресации.

Говорят, что использование указателя означает отказ от именования адресуемого им объекта.

Операция разадресации, или разыменования, предназначена для доступа к величине, адрес которой хранится в указателе. Эту операцию можно использовать как для получения, так и для изменения значения величины (если она не объявлена как константа).

Унарная операция получения адреса & применима к переменным, имеющим имя (ID), для которых выделены участки оперативной памяти. Таким образом, нельзя получить адрес скалярного выражения, неименованной константы или регистровой переменной (типа register).

Отказ от именования объектов при наличии возможности доступа по указателю приближает язык Си по гибкости отображения «объект – память» к языку ассемблера.

Пример1:

int x, – переменная типа int;

*y; – указатель на объект типа int; y = &x; – y – адрес переменной x;

*y=1; – косвенная адресация указателем поля x, т.е. по указанному адресу записать 1: x = 1.

Пример2:

int i, j = 8, k = 5, *y; y=&i;

*y=2; – i = 2 y=&j;

*y+=i; – j += i → j = j+i → j = j + 2 = 10 y=&k;

k+=*y; – k += k → k = k + k = 10 (*y)++; – k++ → k = k + 1 = 10 + 1 = 11

Как видно из приведенных примеров, конструкцию *ID_указателя можно использовать в левой части оператора присваивания, так как она является L-значением (см. разд. 4.3), т.е. определяет адрес участка памяти.

Эту конструкцию часто считают именем переменной, на которую ссылается указатель. С ней допустимы все действия, определенные для величин соответствующего типа (если указатель инициализирован).

Пример3:

int i1; – целая переменная;

const int i2=1; – целая константа;

int * pi1; – указатель на целую переменную;

const int * pi2; – указатель на целую константу;

int * const pi1=&i1; – указатель-константа на целую переменную; const int * const pi2=&i2; – указатель-константа на целую константу.

Как видно из примеров, модификатор const, находящийся между ID указателя и символом «звездочка», относится к самому указателю и запрещает его изменение, a const слева от звездочки задает константное значение объекта, на который он указывает. Для инициализации указателей использована операция получения адреса &.

Указатель подчиняется общим правилам определения области действия, видимости и времени жизни.

2. Операцияsizeof

Формат записи:

sizeof( параметр);

параметр– тип или идентификатор объекта (но не IDфункции).

Данная операция позволяет определить размер указанного параметра в байтах (тип результата int).

Если указан идентификатор сложного объекта (массив, структура, объединение), то результатом будет размер всего объекта. Например:

sizeof(int) – результат 2(4) байта; double b[5];

sizeof(b) – результат 8 байт * 5 = 40 байт.

Динамическое распределение оперативной памяти (ОП) связано с операциями порождения и уничтожения объектов по запросу программы, при котором захват и освобождение памяти производится программно, т.е. в процессе работы программы. При этом в языке Си порождение объектов (захват памяти) и уничтожение объектов (освобождение памяти) выполняются при помощи библиотечных функций.

3. Инициализацияуказателей

При декларации указателя желательно выполнить его инициализацию, т.е. присвоение начального значения. Наиболее распространенная из ошибок в программах – непреднамеренное использование неинициализированных указателей.

Инициализатор записывается после IDуказателя либо в круглых скобках, либо после знака равенства.

Существуют следующие способы инициализации указателя:

1. 
   Присваивание указателю адреса существующего объекта: а) используя операцию получения адреса переменной:
   

int a= 5;

int *p = &а; – указателю pприсвоили адрес объекта а;

int *p(&а); – то же самое другим способом;

б) с помощью значения другого инициализированного указателя: int *g = р;

Указателю-переменной можно присвоить значение другого указателя либо выражения типа указатель с использованием при необходимости операции приведения типа. Приведение типа необязательно, если один из указателей имеет тип void *, например

int i,*x; char *y;

x = &i; // x– поле объекта int;

y = (char *)x; // y– поле объекта char;

y = (char *)&i; // y– поле объекта char;

в) с помощью идентификаторов массива или функции, которые трактуются как адрес начала участка памяти, в котором размещается указанный объект. Причем следует учитывать тот факт, что IDмассивов и функций являются константными указателями. Такую константу можно присвоить переменной типа указатель, но нельзя подвергать преобразованиям, например:

int x[100], *y;

y = x; – присваивание константы переменной;

x = y; – ошибка, т.к. в левой части указатель-константа.

2. 
   Присваивание пустого значения: int *x1 = NULL;
   

int *x2 = 0;

В первой строке используется константа NULL, определенная как указатель, равный нулю. Рекомендуется использовать просто цифру 0, так как это значение типаintбудет правильно преобразовано стандартными способами в соответствии с контекстом. А так как объекта с нулевым (фиктивным) адресом не существует, пустой указатель обычно используют для контроля, ссылается указатель на конкретный объект или нет.

3. 
   Присваивание указателю адреса выделенного участка динамической памяти:
   

а) c помощью операции new(см. разд. 16.4): int *n = new int;

int *m = new int (10);

б) c помощью функции malloc(см. разд. 10.9): int *p = (int*)malloc(sizeof(int));

Присваивание без явного приведения типов допускается в двух случаях:

– указателям типа void*;

– если тип указателей справа и слева от операции присваивания один и тот же.

Если переменная-указатель выходит из области своего действия, отведенная под нее память освобождается. Следовательно, динамическая переменная, на которую ссылался указатель, становится недоступной. При этом память, на которую указывала сама динамическая переменная, не освобождается. Такая ситуация называется «замусоривание оперативной памяти». Еще одна причина появления «мусора» – когда инициализированному указателю присваивается значение другого указателя. При этом старое значение указателя теряется.

4. Операциинадуказателями

Помимо уже рассмотренных операций, с указателями можно выполнять арифметические операции сложения, инкремента (++), вычитания, декремента (--) и операции сравнения.

Арифметические операции с указателями автоматически учитывают размер типа величин, адресуемых указателями. Эти операции применимы только к указателям одного типа и имеют смысл в основном при работе со структурами данных, последовательно размещенными в памяти, например с массивами.

Инкремент перемещает указатель к следующему элементу массива, декремент – к предыдущему.

Указатель, таким образом, может использоваться в выражениях вида

p # iv, ## p, p##, p# = iv,

p– указатель, iv– целочисленное выражение, # – символ операции '+' или '–'.

Результатом таких выражений является увеличенное или уменьшенное значение указателя на величинуiv* sizeof(*p), т.е. если указатель на определенный тип увеличивается или уменьшается на константу, его значение изменяется на величину этой константы, умноженную на размер объекта данного типа.

Текущее значение указателя всегда ссылается на позицию некоторого объекта в памяти с учетом правил выравнивания для соответствующего типа данных. Таким образом, значение p# iv указывает на объект того же типа, расположенный в памяти со смещением на iv позиций.

При сравнении указателей могут использоваться отношения любого вида(«>», «<» и т.д.), но наиболее важными видами проверок являются отношения равенства и неравенства («==», «!=»).

Отношения порядка имеют смысл только для указателей на последовательно размещенные объекты (элементы одного массива).

Разность двух указателей дает число объектов адресуемого ими типа в соответствующем диапазоне адресов, т.е. в применении к массивам разность указателей, например, на третий и шестой элементы равна 3.

Очевидно, что уменьшаемый и вычитаемый указатели должны принадлежать одному массиву, иначе результат операции не имеет практической ценности и может привести к непредсказуемому результату. То же можно сказать и о суммировании указателей.

Значение указателя можно вывести на экран с помощью функцииprintf, используя спецификацию %p(pointer), результат выводится в шестнадцатеричном виде.

Рассмотрим фрагмент программы:

int a = 5, *p, *p1, *p2; p = &a;

p2 = p1 = p;

++p1; p2 += 2;

printf(“a = %d , p = %d , p = %p , p1 = %p , p2 = %p .\n”, a, *p, p, p1, p2);

Результат может быть следующим:

a=5, *p=5,p=FFF4,p1=FFF6, p2=FFF8.

Графически это выглядит следующим образом (в 16-разрядном процессоре на тип int отводится 2 байта):

FFF5

FFF7

FFF9

p= FFF4,

FFF4

р

FFF6

p1

FFF8

p2

FFF10

p1 = FFF6 = ( FFF4 + 1*sizeof(*p)) → FFF4 + 2 (int)

р2 = FFF8 = ( FFF4 + 2*sizeof(*p)) → FFF4 + 2*2

На одну и ту же область памяти (как видно из приведенного примера), может ссылаться несколько указателей различного типа. Но примененная к ним операция разадресации даст разные результаты.

При смешивании в выражении указателей разных типов явное преобразование типов требуется для всех указателей, кроме void*.

Явное приведение типов указателей позволяет получить адрес объекта любого типа:

type *p;

p = (type*) &object;

Значение указателя pпозволяет работать с переменной objectкак объектом типаtype.