Лекция 25 Указатели, массивы и структуры

Цели лекции: Изучение принципы работы с указателями и структурными типами данных (массивы и структуры).

 

Указатель - это переменная, содержащая адрес переменной. Указатели широко применяются в Си - отчасти потому, что в некоторых случаях без них просто не обойтись, а отчасти потому, что программы с ними обычно короче и эффективнее. Указатели и массивы тесно связаны друг с другом: в данной главе мы рассмотрим эту зависимость и покажем, как ею пользоваться. Наряду с goto указатели когда-то были объявлены лучшим средством для написания малопонятных программ. Так оно и есть, если ими пользоваться бездумно. Ведь очень легко получить указатель, указывающий на что-нибудь совсем нежелательное. При соблюдении же определенной дисциплины с помощью указателей можно достичь ясности и простоты. Мы попытаемся убедить вас в этом.

Изменения, внесенные стандартом ANSI, связаны в основном с формулированием точных правил, как работать с указателями. Стандарт узаконил накопленный положительный опыт программистов и удачные нововведения разработчиков компиляторов. Кроме того, взамен char* в качестве типа обобщенного указателя предлагается тип void* (указатель на void).

 

Указатели и адреса.

Память типичной машины подставляет собой массив последовательно пронумерованных или проадресованных ячеек, с которыми можно работать по отдельности или связными кусками.

Упрощенная схема организации памяти изображена на рисунке 25.1.

 

Рисунок 25.1

 

Применительно к любой машине верны следующие утверждения: один байт может хранить значение типа char, двухбайтовые ячейки могут рассматриваться как целое типа short, а четырехбайтовые - как целые типа long. Указатель - это группа ячеек (как правило, две или четыре), в которых может храниться адрес. Так, если c имеет тип char, а p - указатель на c, то ситуация выглядит следующим образом:

Унарный оператор & выдает адрес объекта, так что инструкция

p = &c;

присваивает переменной p адрес ячейки c (говорят, что p указывает на c). Оператор & применяется только к объектам, расположенным в памяти: к переменным и элементам массивов. Его операндом не может быть ни выражение, ни константа, ни регистровая переменная.

Унарный оператор * есть оператор косвенного доступа. Примененный к указателю он выдает объект, на который данный указатель указывает. Предположим, что x и y имеют тип int, а ip – укаэатель на int. Следующие несколько строк придуманы специально для того, чтобы показать, каким образом объявляются указатели и как используются операторы & и *.

int х = 1, у = 2, z[10];int *ip; /* ip - указатель на int */ ip = &x; /* теперь ip указывает на x */y = *ip; /* y теперь равен 1 */*ip = 0; /* x теперь равен 0 */ip = &z[0]; /* ip теперь указывает на z[0] */

Объявление указателя ip

int *ip;

гласит: "выражение *ip имеет тип int". Синтаксис объявления переменной "подстраивается" под синтаксис выражений, в которых эта переменная может встретиться. Указанный принцип применим и в объявлениях функций. Например, запись

double *dp, atof (char *);

означает, что выражения *dp и atof(s) имеют тип double, а аргумент функции atof есть указатель на char.

Вы, наверное, заметили, что указателю разрешено указывать только на объекты определенного типа. (Существует одно исключение: "указатель на void" может указывать на объекты любого типа, но к такому указателю нельзя применять оператор косвенного доступа.)

Если ip указывает на x целочисленного типа, то *ip можно использовать в любом месте, где допустимо применение x; например,

*ip = *ip + 10;

увеличивает *ip на 10.

Унарные операторы * и & имеют более высокий приоритет, чем арифметические операторы, так что присваивание

y = *ip + 1;

берет то, на что указывает ip, и добавляет к нему 1, а результат присваивает переменной y. Аналогично

*ip += 1;

увеличивает на единицу то, на что указывает ip; те же действия выполняют

++*ip;

и

(*iр)++;

В последней записи скобки необходимы, поскольку если их не будет, увеличится значение самого указателя, а не то, на что он указывает. Это обусловлено тем, что унарные операторы * и ++ имеют одинаковый приоритет и порядок выполнения - справа налево.

И наконец, так как указатели сами являются переменными, в тексте они могут встречаться и без оператора косвенного доступа. Например, если iq есть другой указатель на int, то

iq = ip;

копирует содержимое ip в iq, чтобы ip и iq указывали на один и тот же объект.

Указатели и аргументы функций.

Поскольку в Си функции в качестве своих аргументов получают значения параметров, нет прямой возможности, находясь в вызванной функции, изменить переменную вызывающей функции. В программе сортировки нам понадобилась функция swap, меняющая местами два неупорядоченных элемента. Однако недостаточно написать

swap(a, b);

где функция swap определена следующим образом:

void swap(int х, int у) /* НЕВЕРНО */{ int temp; temp = х; x = y; у = temp;}

Поскольку swap получает лишь копии переменных a и b, она не может повлиять на переменные a и b той программы, которая к ней обратилась. Чтобы получить желаемый эффект, вызывающей программе надо передать указатели на те значения, которые должны быть изменены:

swap(&a, &b);

Так как оператор & получает адрес переменной, &a есть указатель на a. В самой же функции swap параметры должны быть объявлены как указатели, при этом доступ к значениям параметров будет осуществляться косвенно.

void swap(int *px, int *py) /* перестановка *px и *py */{ int temp; temp = *рх; *рх = *py; *ру = temp;}

 

Графически это представлено на рисунке 25.2.

Рисунок 25.2

 

Аргументы-указатели позволяют функции осуществлять доступ к объектам вызвавшей ее программы и дают возможность изменить эти объекты. Рассмотрим, например, функцию getint, которая осуществляет ввод в свободном формате одного целого числа и его перевод из текстового представления в значение типа int. Функция getint должна возвращать значение полученного числа или сигнализировать значением EOF о конце файла, если входной поток исчерпан. Эти значения должны возвращаться по разным каналам, так как нельзя рассчитывать на то, что полученное в результате перевода число никогда не совпадет с EOF.

Одно из решений состоит в том, чтобы getint выдавала характеристику состояния файла (исчерпан или не исчерпан) в качестве результата, а значение самого числа помещала согласно указателю, переданному ей в виде аргумента.

Показанный ниже цикл заполняет некоторый массив целыми числами, полученными с помощью getint.

int n, array[SIZE], getint (int *); for (n = 0; n < SIZE && getint (&array[n])!= EOF; n++);

Результат каждого очередного обращения к getint посылается в array[n], и n увеличивается на единицу. Заметим, и это существенно, что функции getint передается адрес элемента array[n]. Если этого не сделать, у getint не будет способа вернуть в вызывающую программу переведенное целое число.

В предлагаемом нами варианте функция getint возвращает EOF по концу файла; нуль, если следующие вводимые символы не представляют собою числа; и положительное значение, если введенные символы представляют собой число.

#include <ctype.h> int getch (void);void ungetch (int); /* getint: читает следующее целое из ввода в *pn */int getint(int *pn){ int c, sign; while (isspace(c = getch()))  ; /* пропуск символов-разделителей */  if(!isdigit(c) && c!= EOF && c!= '+' && c!= '-') {   ungetch (c); /* не число */   return 0; } sign =(c =='-')? -1: 1; if (с == '+' || с == '-')   с = getch(); for (*pn = 0; isdigit(c); c = getch())   *pn = 10 * *pn + (c -'0'); *pn *= sign; if (c!= EOF)   ungetch(c); return c;}

Везде в getint под *pn подразумевается обычная переменная типа int. Функция ungetch вместе с getch включена в программу, чтобы обеспечить возможность отослать назад лишний прочитанный символ.

 

Указатели и массивы.

В Си существует связь между указателями и массивами, и связь эта настолько тесная. Любой доступ к элементу массива, осуществляемый операцией индексирования, может быть выполнен с помощью указателя. Вариант с указателями в общем случае работает быстрее.

Объявление

int a[10];

Определяет массив a размера 10, т. е. блок из 10 последовательных объектов с именами a[0], a[1],..., a[9], изображенным на рисунке 25.3.

 

Рисунок 25.3

 

Запись a[i] отсылает нас к i-му элементу массива. Если pa есть указатель на int, т. е. объявлен как

int *pa;

то в результате присваивания

pa = &a[0];

pa будет указывать на нулевой элемент a, иначе говоря, pa будет содержать адрес элемента a[0].

Теперь присваивание

x = *pa;

будет копировать содержимое a[0] в x.

Если pa указывает на некоторый элемент массива, то pa+1 по определению указывает на следующий элемент, pa+i - на i-й элемент после pa, a pa-i - на i-й элемент перед pa. Таким образом, если pa указывает на a[0], то

*(pa+1)

есть содержимое a[1], a+i - адрес a[i], a *(pa+i) - содержимое a[i], показанное на рисунке 25.4.

Рисунок 25.4

 

Сделанные замечания верны безотносительно к типу и размеру элементов массива a. Смысл слов "добавить 1 к указателю", как и смысл любой арифметики с указателями, состоит в том, чтобы pa+1 указывал на следующий объект, a pa+i - на i-й после pa.

Между индексированием и арифметикой с указателями существует очень тесная связь. По определению значение переменной или выражения типа массив есть адрес нулевого элемента массива. После присваивания

pa = &a[0];

ра и a имеют одно и то же значение. Поскольку имя массива является синонимом расположения его начального элемента, присваивание pa=&a[0] можно также записать в следующем виде:

pa = a;

Еще более удивительно (по крайней мере на первый взгляд) то, что a[i] можно записать как *(a+i). Вычисляя a[i], Си сразу преобразует его в *(a+i); указанные две формы записи эквивалентны. Из этого следует, что полученные в результате применения оператора & записи &a[i] и a+i также будут эквивалентными, т. е. и в том и в другом случае это адрес i-го элемента после a. С другой стороны, если pa - указатель, то его можно использовать с индексом, т. е. запись pa[i] эквивалентна записи *(pa+i). Короче говоря, элемент массива можно изображать как в виде указателя со смещением, так и в виде имени массива с индексом.

Между именем массива и указателем, выступающим в роли имени массива, существует одно различие. Указатель - это переменная, поэтому можно написать pa=a или pa++. Но имя массива не является переменной, и записи вроде a=pa или a++ не допускаются.

Если имя массива передается функции, то последняя получает в качестве аргумента адрес его начального элемента. Внутри вызываемой функции этот аргумент является локальной переменной, содержащей адрес. Мы можем воспользоваться отмеченным фактом и написать еще одну версию функции strlen, вычисляющей длину строки.

/* strlen: возвращает длину строки */

int strlen(char *s)

{

int n;

for (n = 0; *s!= '\0'; s++)

     n++;

return n;

}

Так как переменная s - указатель, к ней применима операция ++; s++ не оказывает никакого влияния на строку символов функции, которая обратилась к strlen. Просто увеличивается на 1 некоторая копия указателя, находящаяся в личном пользовании функции strlen. Это значит, что все вызовы, такие как:

strlen("3дравствуй, мир"); /* строковая константа */

strlen(array);        /* char array[100]; */

strlen(ptr);          /* char *ptr; */

правомерны.

Формальные параметры

char s[];

и

char *s;

в определении функции эквивалентны. Предпочтение отдаетсяпоследнему варианту, поскольку он более явно сообщает, что s есть указатель. Если функции в качестве аргумента передается имя массива, то она может рассматривать его так, как ей удобно - либо как имя массива, либо как указатель, и поступать с ним соответственно. Она может даже использовать оба вида записи, если это покажется уместным и понятным.

Функции можно передать часть массива, для этого аргумент должен указывать на начало подмассива. Например, если a - массив, то в записях

f(&a[2])

или

f(a+2)

функции f передается адрес подмассива, начинающегося с элемента a[2]. Внутри функции f описание параметров может выглядеть как

f(int arr[]) {...}

или

f(int *arr) {...}

Следовательно, для f тот факт, что параметр указывает на часть массива, а не на весь массив, не имеет значения.

Если есть уверенность, что элементы массива существуют, то возможно индексирование и в "обратную" сторону по отношению к нулевому элементу; выражения p[-1], p[-2] и т.д. не противоречат синтаксису языка и обращаются к элементам, стоящим непосредственно перед p[0]. Разумеется, нельзя "выходить" за границы массива и тем самым обращаться к несуществующим объектам.

 

Контрольные вопросы

1. Дать определение указателя.

2. Каким образом можно получить адрес переменной в явном виде?

3. Опишисать передачу параметров в функцию по указателю.

4. Дать определение массива.

5. Какой результат будет получен при разыменовании имени массива?

6. Что происходит при добавлении целочисленного значения n к указателю, адресующему некоторый элемент в массиве?

7. Каков результат вычитания из адреса любого элемента массива имени массива?

8. В чем отличие статического и динамического выделения памяти для массива?

9. В чем отличие функций динамического выделения памяти calloc() и malloc()?