Указатели
Указатель — это переменная, значением которой является адрес ячейки памяти (оперативной). Указатели объявляются точно так же, как и обычные переменные, только со звёздочкой (причем, здвездочка по отношению к переменной и типом может быть на любом расстоянии). Указатели являются типизированными.
Сейчас мы только что объявили указатели, но не присвоили им никакого значения. Как только что было сказано — указатель содержит в себе адрес ячейки (пямяти) на другую переменную:
Код иллюстрирующий данный пример:
И здесь нужно обраить внимание на оператор & — оператор взятия адреса (позволяет узнать, какой адрес памяти который присвоен определенной переменной). При этом важно подчеркнуть, что указатель — это такая же переменная у которой тоже можно взять адрес (то есть адрес, по которому записан адрес переменной в другой ячейке). Получается “двойной указатель” (так же есть и тройные и сколько вашей фантазии угодно, но об это позже). В объявлении таких многомерных указателей необходимо задать нужное кол-во звезд.
Теперь у нас есть указатель, инциированный адресом переменной — что мы с ним можем сделать. Очевидно, по этому адресу получить значение:
Обратите вниамание, что оператор взятия адреса по указателю это *
- как оператор умножения
- приобъявлении указателя
- при разъименования (взятия значения) указателя
Оператор взятия значения, очевидно, может быть применен только к переменной типа указатель.
Практическое применение
Окей, мы узнали что такое указатель и как с ним работать, но зачем на практике это может пригодится? Рассмотри пример ниже:
В данном примере идет попытка поменять местати значения двух переменных. Для этого создана функция swap в ней идет обмен значений переменных с помощью третьей… но в результате все равно перемнные k и m не поменяли значения. Как такое могло произойти? Согласно стеку вызовов при вызове функции идет копирование переменных, что в данном случае и произошло. В функции swap мы меня местами значения не оригинальные переменные k и m, а их копии.
Теперь давайте рассмотрим ниже пример:
Здесь, вмест значений мы передаем в функцию адреса переменных k и m. Адреса коприруются при вызове функции (как и раньше), но это все еще адреса, на оригинальные переменные k и m. Таким образом, преобразования переменных в функции swap затронут именно k и m, и в резльутате мы получим, что хотим.
Указатели в современном языке
Необходимо отметить, что в новой версии C++ (еще фоициально не вышла) палнируется полностью отказаться от указателей как от пережитка прошлого — комитет по стандартизации языка принял решение о том, что указатели будут объявлены устаревшими в C++20 и с большой долей вероятности будут удалены из C++23.
Тем не менее, указтели являются одним из фундаментальным инстуремнтом позволяющим как “выстрелить себе в ногу”, так и, напротив, писать высокопроизводительные программы, игры и их знание и понимание является необходимым для любого программиста.
Кратко об указателях в Си: присваивание, разыменование и перемещение по массивам
Приветствую вас, дорогие читатели. В данной статье кратко описаны основные сведения об указателях в языке Си. Кроме основных операций с указателями (объявление, взятие адреса, разыменование) рассмотрены вопросы безопасности типов при работе с ними. К сожалению, в данной статье вы не найдёте информацию по операциям сравнений указателей. Однако, статья будет полезна новичкам, а также тем, кто работает с массивами. Все примеры в данной статье компилировались компилятором gcc (восьмой версии).
Введение
Указатель — переменная, которая хранит адрес сущностей (т.е. других переменных любого типа, будь то структура, или массив), и над которой возможно выполнять операцию разыменования (dereferencing). Адрес обычно выражен целым положительным числом. Диапазон адресов зависит от архитектуры компьютера. Указателю надо указать тип переменной, адрес которой он хранит, или же использовать ключевое слово void, для обозначения указателя, хранящего адрес чего-угодно (т.е. разрешён любой тип). Указатели объявляются как и обычные переменные, с той разницей, что имя типа переменной указателя имеет префикс, состоящий как минимум из одной звёздочки (*). Например:
Количество звёздочек лишь указывает на длину цепочек хранимых адресов. Поскольку указатель также является переменной и имеет адрес, то его адрес также можно хранить в другом указателе. В выше приведённом примере адрес переменной a сохраняется в переменной-указателе ptr. Адрес же самой переменной ptr сохраняется в другом указателе pptr. Чтобы получить адрес переменной, перед её именем надо поставить знак амперсанда (&). Наконец, чтобы выполнить обратную операцию, т.е. получить значение (содержимое) по адресу, хранимому в указателе, имя указателя предваряется звёздочкой, почти как при объявлении. Почти, потому что одной звёздочки достаточно чтобы «распаковать» указатель. Поскольку pptr указывает по адресу на значение, хранимое в ptr, то необходимо два раза применить операцию разыменования.
Указатели в предыдущем примере хранят адрес переменной определённого типа. В случае, когда применяются указатели типа void (любого типа), то прежде чем распаковать значение по адресу, необходимо выполнить приведение к типизированному указателю. Следующий пример является версией предыдущего, но с использованием указателя любого типа.
В данном примере адреса хранятся в указателе типа void. Перед получением значения по адресу, хранимым в pb, необходимо привести указатель pb к типу int*. Затем, воспользоваться стандартной операцией разыменования. Что касается указателя ppb, то он разыменовывается два раза. Первый раз до приведения к типу, для получения содержимого переменной pb, на которую он указывает. Второй раз — после приведения к типу int*.
Изменения значения переменной через указатель.
Так как указатель хранит адрес переменной, мы можем через адрес не только получить значение самой переменной, но также его изменить. Например:
Как было сказано выше, указатели хранят адреса. Естественно, что адреса могут указывать не только на ячейки данных переменных в вашей программе, но и на другие вещи: адрес стека процедур, адрес начала сегмента кода, адрес какой-то процедуры ядра ОС, адрес в куче и т. д. Логично, что не все адреса можно использовать напрямую в программе, поскольку некоторые из них указывают на те участки памяти, которые нельзя изменять (доступ для чтения), или которые нельзя затирать. В случае, при обращении к участку, доступному только для чтения, при попытке изменить значение получим ошибку Segmentation Fault (SF).
Кроме того, в языке Си определён макрос с именем NULL, для обозначения указателя с нулевым адресом. Данный адрес обычно используется операционной системой для сигнала об ошибке при работе с памятью. При попытке что либо читать по этому адресу, программа может получить неопределённое поведение. Поэтому ни в коем случае не пытайтесь извлечь значение по пустому указателю.
И ещё, указатели могут указывать на один и тот же объект. Например:
Этот простой пример показывает, что через адреса можно менять содержимое простых переменных, а также остальных указателей, ссылающихся на тоже самое. Таким образом, указатель p2 как бы является псевдонимом (alias) для p1.
Передача параметров через указатели.
Параметры функций могут быть указателями. В случае вызова таких функций, они копируют значения аргументов в свои параметры как обычно. Единственное отличие здесь в том, что они копируют адреса, содержащиеся в указателях параметрах. И с помощью полученных адресов, можно изменять объекты, на которые указывают параметры. Ниже приведена стандартная процедура обмена значений между двумя целочисленными переменными.
Здесь переменные а и b меняются своими значениями друг с другом (при условии, что параметры содержат не нулевой адрес). Отметим ещё раз, что мы можем изменить содержимое, указываемое по параметру-указателю методов. И, конечно, мы можем стереть данный адрес, присвоив параметру новое значение.
Проверка типов и массивы
Как было сказано, указатели хранят адреса переменных. Несмотря на указание типа для переменной указателя, это не мешает присвоить ему адрес переменной другого типа, если вы компилируете БЕЗ флагов. Например, следующий код не скомпилируется, если вы включили флаги -Werror -Wall .
Конечно, компилятор gcc и без -Wall заметит недопустимую операцию в 7 строке кода. Флаг -Wall покажет все предупреждения компилятора. Главный флаг -Werror не позволит компилировать код, если есть предупреждения.
Что же касается массивов, то для массива не нужно предварять имя переменной амперсандом, поскольку компилятор автоматически при присваивании адреса массива присвоит адрес первого его элемента в указатель. Для многомерных массивов потребуются указатели на массивы, а не массивы указателей. Первые имеют форму объявления вида int (*arr)[] , а вторые вида int *arr[] . В квадратных скобках обязательно нужно указать размер массива. Для трёхмерных массивов потребуется уже две пары скобок, например int (*arr)[2][2] . Для четырёхмерных — три и так далее.
В выше приведённом коде даны примеры для работы с массивами (одномерными и двумерными). В квадратных скобках указывается размер последнего измерения. Важно помнить, что первое разыменование приводит вас ко всему массиву (т. е. к типу int * ). А второе разыменование распаковывает элемент данного массива. В случае одномерного массива, у нас всего одна ячейка, и указатель ссылается на неё. В случае двумерного массива, у нас две ячейки — массивы, а указатель ссылается на первую. Для перемещения на второй массив, достаточно прибавить единицу к адресу, хранимому в переменной mp, например, так mp + 1 . Чтобы получить первый элемент второго массива, надо два раза распаковать указатель с соответствующим адресом массива, т.е. **(mp + 1) .
Постоянные (const) и указатели.
Напомним, чтобы сделать переменную с постоянным, фиксированным значением, надо добавить ключевое слово const перед её именем (до имени типа или после). Например:
Для объявления указателя на постоянное значение, ключевое слово const должно быть ПЕРЕД звёздочкой.
В примере выше была создана переменная-указатель, ссылающееся на постоянное значение. Слово const перед звёздочкой указывает, что нельзя менять содержимое напрямую (путём разыменования, обращения к ячейке). Но сама переменная указатель постоянной не является. А значит, ей можно присвоить новый адрес. Например, адрес следующей ячейки в массиве.
Чтобы запретить менять адрес (значение переменной) указателя, надо добавить слово const ПОСЛЕ звёздочки. Кроме того, можно добавить ключевые слова const перед и после ‘*’ , чтобы сделать переменную фиксированной ещё сильнее, например так:
Урок №80. Указатели
На уроке №10 мы узнали, что переменная — это название кусочка памяти, который содержит значение.
Оператор адреса &
При выполнении инициализации переменной, ей автоматически присваивается свободный адрес памяти, и, любое значение, которое мы присваиваем переменной, сохраняется по этому адресу в памяти. Например:
При выполнении этого стейтмента процессором, выделяется часть оперативной памяти. В качестве примера предположим, что переменной b присваивается ячейка памяти под номером 150. Всякий раз, когда программа встречает переменную b в выражении или в стейтменте, она понимает, что для того, чтобы получить значение — ей нужно заглянуть в ячейку памяти под номером 150.
Хорошая новость — нам не нужно беспокоиться о том, какие конкретно адреса памяти выделены для определенных переменных. Мы просто ссылаемся на переменную через присвоенный ей идентификатор, а компилятор конвертирует это имя в соответствующий адрес памяти. Однако этот подход имеет некоторые ограничения, которые мы обсудим на этом и следующих уроках.
Оператор адреса & позволяет узнать, какой адрес памяти присвоен определенной переменной. Всё довольно просто:
Результат на моем компьютере:
Примечание: Хотя оператор адреса выглядит так же, как оператор побитового И, отличить их можно по тому, что оператор адреса является унарным оператором, а оператор побитового И — бинарным оператором.
Оператор разыменования *
Оператор разыменования * позволяет получить значение по указанному адресу:
Результат на моем компьютере:
Примечание: Хотя оператор разыменования выглядит так же, как и оператор умножения, отличить их можно по тому, что оператор разыменования — унарный, а оператор умножения — бинарный.
Указатели
Теперь, когда мы уже знаем об операторах адреса и разыменования, мы можем поговорить об указателях.
Указатель — это переменная, значением которой является адрес ячейки памяти. Указатели объявляются точно так же, как и обычные переменные, только со звёздочкой между типом данных и идентификатором:
Синтаксически язык C++ принимает объявление указателя, когда звёздочка находится рядом с типом данных, с идентификатором или даже посередине. Обратите внимание, эта звёздочка не является оператором разыменования. Это всего лишь часть синтаксиса объявления указателя.
Однако, при объявлении нескольких указателей, звёздочка должна находиться возле каждого идентификатора. Это легко забыть, если вы привыкли указывать звёздочку возле типа данных, а не возле имени переменной. Например:
По этой причине, при объявлении указателя, рекомендуется указывать звёздочку возле имени переменной. Как и обычные переменные, указатели не инициализируются при объявлении. Содержимым неинициализированного указателя является обычный мусор.
Присваивание значений указателю
Поскольку указатели содержат только адреса, то при присваивании указателю значения — это значение должно быть адресом. Для получения адреса переменной используется оператор адреса:
Приведенное выше можно проиллюстрировать следующим образом:
Вот почему указатели имеют такое имя: ptr содержит адрес значения переменной value , и, можно сказать, ptr указывает на это значение.
Еще очень часто можно увидеть следующее:
Результат на моем компьютере:
Тип указателя должен соответствовать типу переменной, на которую он указывает:
Следующее не является допустимым:
Это связано с тем, что указатели могут содержать только адреса, а целочисленный литерал 7 не имеет адреса памяти. Если вы все же сделаете это, то компилятор сообщит вам, что он не может преобразовать целочисленное значение в целочисленный указатель.
Язык C++ также не позволит вам напрямую присваивать адреса памяти указателю:
Оператор адреса возвращает указатель
Стоит отметить, что оператор адреса & не возвращает адрес своего операнда в качестве литерала. Вместо этого он возвращает указатель, содержащий адрес операнда, тип которого получен из аргумента (например, адрес переменной типа int передается как адрес указателя на значение типа int):
Результат выполнения программы:
Разыменование указателей
Как только у нас есть указатель, указывающий на что-либо, мы можем его разыменовать, чтобы получить значение, на которое он указывает. Разыменованный указатель — это содержимое ячейки памяти, на которую он указывает:
0034FD90
5
0034FD90
5
Вот почему указатели должны иметь тип данных. Без типа указатель не знал бы, как интерпретировать содержимое, на которое он указывает (при разыменовании). Также, поэтому и должны совпадать тип указателя с типом переменной. Если они не совпадают, то указатель при разыменовании может неправильно интерпретировать биты (например, вместо типа double использовать тип int).
Одному указателю можно присваивать разные значения:
Когда адрес значения переменной присвоен указателю, то выполняется следующее:
ptr — это то же самое, что и &value ;
*ptr обрабатывается так же, как и value .
Поскольку *ptr обрабатывается так же, как и value , то мы можем присваивать ему значения так, как если бы это была обычная переменная. Например:
Разыменование некорректных указателей
Указатели в языке C++ по своей природе являются небезопасными, а их неправильное использование — один из лучших способов получить сбой программы.
При разыменовании указателя, программа пытается перейти в ячейку памяти, которая хранится в указателе и извлечь содержимое этой ячейки. По соображениям безопасности современные операционные системы (ОС) запускают программы в песочнице для предотвращения их неправильного взаимодействия с другими программами и для защиты стабильности самой операционной системы. Если программа попытается получить доступ к ячейке памяти, не выделенной для нее операционной системой, то ОС сразу завершит выполнение этой программы.
Следующая программа хорошо иллюстрирует вышесказанное. При запуске вы получите сбой (попробуйте, ничего страшного с вашим компьютером не произойдет):
Размер указателей
Размер указателя зависит от архитектуры, на которой скомпилирован исполняемый файл: 32-битный исполняемый файл использует 32-битные адреса памяти. Следовательно, указатель на 32-битном устройстве занимает 32 бита (4 байта). С 64-битным исполняемым файлом указатель будет занимать 64 бита (8 байт). И это вне зависимости от того, на что указывает указатель:
Как вы можете видеть, размер указателя всегда один и тот же. Это связано с тем, что указатель — это всего лишь адрес памяти, а количество бит, необходимое для доступа к адресу памяти на определенном устройстве, — всегда постоянное.
В чём польза указателей?
Сейчас вы можете подумать, что указатели являются непрактичными и вообще ненужными. Зачем использовать указатель, если мы можем использовать исходную переменную?
Однако, оказывается, указатели полезны в следующих случаях:
Случай №1: Массивы реализованы с помощью указателей. Указатели могут использоваться для итерации по массиву.
Случай №2: Они являются единственным способом динамического выделения памяти в C++. Это, безусловно, самый распространенный вариант использования указателей.
Случай №3: Они могут использоваться для передачи большого количества данных в функцию без копирования этих данных.
Случай №4: Они могут использоваться для передачи одной функции в качестве параметра другой функции.
Случай №5: Они используются для достижения полиморфизма при работе с наследованием.
Случай №6: Они могут использоваться для представления одной структуры/класса в другой структуре/классе, формируя, таким образом, целые цепочки.
Указатели применяются во многих случаях. Не волнуйтесь, если вы многого не понимаете из вышесказанного. Теперь, когда мы разобрались с указателями на базовом уровне, мы можем начать углубляться в отдельные случаи, в которых они полезны, что мы и сделаем на последующих уроках.
Заключение
Указатели — это переменные, которые содержат адреса памяти. Их можно разыменовать с помощью оператора разыменования * для извлечения значений, хранимых по адресу памяти. Разыменование указателя, значением которого является мусор, приведет к сбою в вашей программе.
Совет: При объявлении указателя указывайте звёздочку возле имени переменной.
Задание №1
Какие значения мы получим в результате выполнения следующей программы (предположим, что это 32-битное устройство, и тип short занимает 2 байта):
Указатели
Все определенные в программе данные, например, переменные, хранятся в памяти по определенному адресу. И указатели позволяют напрямую обращаться к этим адресам и благодаря этому манипулировать данными. Указатели представляют собой объекты, значением которых служат адреса других объектов (переменных, констант, указателей) или функций. Указатели — это неотъемлемый компонент для управления памятью в языке Си.
Определение указателя
Для определения указателя надо указать тип объекта, на который указывает указатель, и символ звездочки *.
Сначала идет тип данных, на который указывает указатель, и символ звездочки *. Затем имя указателя.
Например, определим указатель на объект типа int:
Пока указатель не ссылается ни на какой объект. Теперь присвоим ему адрес переменной:
Получение адреса данных
Указатель хранит адрес объекта в памяти компьютера. И для получения адреса к переменной применяется операция & . Эта операция применяется только к таким объектам, которые хранятся в памяти компьютера, то есть к переменным и элементам массива.
Что важно, переменная x имеет тип int, и указатель, который указывает на ее адрес тоже имеет тип int. То есть должно быть соответствие по типу.
Какой именно адрес имеет переменная x? Для вывода значения указателя можно использовать специальный спецификатор %p :
В моем случае машинный адрес переменной x — 0x0060FEA8. (Для адресов в памяти применяется шестнадцатеричная система.) Но в каждом отдельном случае адрес может быть иным. Фактически адрес представляет целочисленное значение, выраженное в шестнадцатеричном формате.
То есть в памяти компьютера есть адрес 0x0060FEA8, по которому располагается переменная x.
Так как переменная x представляет тип int , то на большинстве архитектур она будет занимать следующие 4 байта (на конкретных архитектурах размер памяти для типа int может отличаться). Таким образом, переменная типа int последовательно займет ячейки памяти с адресами 0x0060FEA8, 0x0060FEA9, 0x0060FEAA, 0x0060FEAB.
И указатель p будет ссылаться на адрес, по которому располагается переменная x, то есть на адрес 0x0060FEA8.
Стоит отметить, что при выводе адреса указателя функция printf() ожидает, что указатель будет представлять void* , то есть указатель на значение типа void . Поэтому некоторые компиляторы при некоторых настройках могут при компиляции отображать предупреждения. И чтобы было все канонически правильно, то переданный указатель нужно преобразовать в указатель типа void * :
Получение значения по адресу
Но так как указатель хранит адрес, то мы можем по этому адресу получить хранящееся там значение, то есть значение переменной x. Для этого применяется операция * или операция разыменования (dereference operator). Результатом этой операции всегда является объект, на который указывает указатель. Применим данную операцию и получим значение переменной x:
Используя полученное значение в результате операции разыменования мы можем присвоить его другой переменной:
Здесь присваиваем переменной y значение по адресу из указателя p , то есть значение переменной x .
И также используя указатель, мы можем менять значение по адресу, который хранится в указателе:
Так как по адресу, на который указывает указатель, располагается переменная x, то соответственно ее значение изменится.
Создадим еще несколько указателей:
В моем случае я получу следующий консольный вывод:
По адресам можно увидеть, что переменные часто расположены в памяти рядом, но не обязательно в том порядке, в котором они определены в тексте программы: