Указатели в си примеры

Указатели

Э то, пожалуй, самая сложная и самая важная тема во всём курсе. Без понимания указателей дальнейшее изучении си будет бессмысленным. Указатели – очень простая концепция, очень логичная, но требующая внимания к деталям.

Определение

У казатель – это переменная, которая хранит адрес области памяти. Указатель, как и переменная, имеет тип. Синтаксис объявления указателей

Например
float *a;
long long *b;
Два основных оператора для работы с указателями – это оператор & взятия адреса, и оператор * разыменования. Рассмотрим простой пример.

Рассмотрим код внимательно, ещё раз

Была объявлена переменная с именем A. Она располагается по какому-то адресу в памяти. По этому адресу хранится значение 100.

Создали указатель типа int.

Теперь переменная p хранит адрес переменной A. Используя оператор * мы получаем доступ до содержимого переменной A.
Чтобы изменить содержимое, пишем

После этого значение A также изменено, так как она указывает на ту же область памяти. Ничего сложного.
Теперь другой важный пример

Будет выведено
4
4
8
4
Несмотря на то, что переменные имеют разный тип и размер, указатели на них имеют один размер. Действительно, если указатели хранят адреса, то они должны быть целочисленного типа. Так и есть, указатель сам по себе хранится в переменной типа size_t (а также ptrdiff_t), это тип, который ведёт себя как целочисленный, однако его размер зависит от разрядности системы. В большинстве случаев разницы между ними нет. Зачем тогда указателю нужен тип?

Арифметика указателей

В о-первых, указателю нужен тип для того, чтобы корректно работала операция разыменования (получения содержимого по адресу). Если указатель хранит адрес переменной, необходимо знать, сколько байт нужно взять, начиная от этого адреса, чтобы получить всю переменную.
Во-вторых, указатели поддерживают арифметические операции. Для их выполнения необходимо знать размер.
операция + N сдвигает указатель вперёд на N*sizeof(тип) байт.
Например, если указатель int *p; хранит адрес CC02, то после p += 10; он будет хранить адрес СС02 + sizeof(int)*10 = CC02 + 28 = CC2A (Все операции выполняются в шестнадцатиричном формате). Пусть мы создали указатель на начало массива. После этого мы можем "двигаться" по этому массиву, получая доступ до отдельных элементов.

Заметьте, каким образом мы получили адрес первого элемента массива

Массив, по сути, сам является указателем, поэтому не нужно использовать оператор &. Мы можем переписать пример по-другому

Получить адрес первого элемента и относительно него двигаться по массиву.
Кроме операторов + и — указатели поддерживают операции сравнения. Если у нас есть два указателя a и b, то a > b, если адрес, который хранит a, больше адреса, который хранит b.

Если же указатели равны, то они указывают на одну и ту же область памяти.

Указатель на указатель

У казатель хранит адрес области памяти. Можно создать указатель на указатель, тогда он будет хранить адрес указателя и сможет обращаться к его содержимому. Указатель на указатель определяется как

Очевидно, ничто не мешает создать и указатель на указатель на указатель, и указатель на указатель на указатель на указатель и так далее. Это нам понадобится при работе с двумерными и многомерными массивами. А вот простой пример, как можно работать с указателем на указатель.

Указатели и приведение типов

Т ак как указатель хранит адрес, можно кастовать его до другого типа. Это может понадобиться, например, если мы хотим взять часть переменной, или если мы знаем, что переменная хранит нужный нам тип.

В этом примере мы пользуемся тем, что размер типа int равен 4 байта, а char 1 байт. За счёт этого, получив адрес первого байта, можно пройти по остальным байтам числа и вывести их содержимое.

NULL pointer — нулевой указатель

У казатель до инициализации хранит мусор, как и любая другая переменная. Но в то же время, этот "мусор" вполне может оказаться валидным адресом. Пусть, к примеру, у нас есть указатель. Каким образом узнать, инициализирован он или нет? В общем случае никак. Для решения этой проблемы был введён макрос NULL библиотеки stdlib.
Принято при определении указателя, если он не инициализируется конкретным значением, делать его равным NULL.

По стандарту гарантировано, что в этом случае указатель равен NULL, и равен нулю, и может быть использован как булево значение false. Хотя в зависимости от реализации NULL может и не быть равным 0 (в смысле, не равен нулю в побитовом представлении, как например, int или float).
Это значит, что в данном случае

вполне корректная операция, а в случае

поведение не определено. То есть указатель можно сравнивать с нулём, или с NULL, но нельзя NULL сравнивать с переменной целого типа или типа с плавающей точкой.

Примеры

Теперь несколько примеров работы с указателями
1. Пройдём по массиву и найдём все чётные элементы.

2. Когда мы сортируем элементы часто приходится их перемещать. Если объект занимает много места, то операция обмена местами двух элементов будет дорогостоящей. Вместо этого можно создать массив указателей на исходные элементы и отсортировать его. Так как размер указателей меньше, чем размер элементов целевого массива, то и сортировка будет происходить быстрее. Кроме того, массив не будет изменён, часто это важно.

3. Более интересный пример. Так как размер типа char всегда равен 1 байт, то с его помощью можно реализовать операцию swap – обмена местами содержимого двух переменных.

В этом примере можно поменять тип переменных a и b на double или любой другой (с соответствующим изменением вывода и вызова sizeof), всё равно мы будет обменивать местами байты двух переменных.

4. Найдём длину строки, введённой пользователем, используя указатель

Всем привет! В этом уроке мы разберём то, что очень тесно связано с памятью в компьютере. С помощью этого можно улучшать работу своей программы. Как вы догадались с названия урока, это — указатели.

Адрес переменной в C++

Поголовно у каждой переменной имеется свой индивидуальный адрес. Адрес переменной — это путь, по которому находится значение самой переменной. Он записывается в шестнадцатеричном виде. Так, компьютер может записать переменную, как в такой адрес 0x155, так и в такой 0x212 .

Давайте приведем аналогию с круизным лайнером. В нем, как и в отеле, имеются номера. Вот, например, при покупке номера вам могут дать номер — 0x155 (да, мы понимаем, что не в одном лайнере или отеле не станут записывать номера в шестнадцатеричном виде, но давайте все таки немного отвлечемся). А друг может оказаться в номере 0x212 — так и с переменными, они могут получить разный путь. И только сам компьютер при создании переменной знает, где она находится.

Переменные, которые вы создаете в программе, по её завершению автоматически удаляются, чтобы не нагружать операционную​ память вашего компьютера.

Пример удаления переменных

В играх присутствует хорошая графика, различные спецэффекты. Например, тот же дым. Все это — переменная (может не одна!), которой в будущем придётся уничтожиться навсегда. А вот, если бы она не удалилась, то она бы своей фоновой работой понемножку нагружала бы наш компьютер.

Поэтому в C/C++ присутствует возможность обратиться к переменной, и, если требует ситуация, удалить и создать её вовсе в другом участке программы, когда это, конечно, нам будет нужно.

Что такое указатели в C++

Указатели — это с самого начала переменные, уже в которых хранится адрес других переменных.

Чтобы пользоваться указателями, вам нужно использовать два оператора:

• * — показывает значение переменной по заданному адресу (показывает, кто живет в этом номере). Если вы используете оператор * , то вы занимаетесь операцией разыменование указателя.
• & — показывает адрес переменной (говорит, по какому адресу проживает этот человек).

Как создать указатели в C++

Давайте посмотрим, какую конструкцию нужно использовать, чтобы создать указатели:

Тема указателей довольно сложна и мне часто присылают вопросы по ней. В этой статье мы подробно разберем тему указателей.

Рекомендуемая работа с памятью

Перед тем, как разбираться с указателями, сначала посмотрим, как лучше работать с памятью в Си.

Рекомендуемый способ — это прямо описать ту область памяти, которую вы хотите использовать.

В этом примере мы задали целое число, массив и вещественное число. То есть мы явно дали имя элементу данных.

Если мы теперь будем использовать этот элемент данных, то достаточно указать его имя.

Почему рекомендуется делать именно так? Три причины:

Причина 1. Соблюдение принципа изоляции кода

В языке Си данные в функцию передаются по значению. Эти значит, что копия входных параметров размещается на стеке. После выхода из функции эти данные уничтожаются. Поэтому программист уверен, что никакого влияния на остальную программу эти данные не окажут.

Причина 2. Простой вызов в отладчике

Просто добавьте имя элемента данных и вы можете легко наблюдать, что с ним происходит во время отладки.

Причина 3. Самодокументируемый код

Если мы дадим объектам данных осмысленные имена, то код будет хорошо читаться. Например:

Но так как язык Си универсален и есть много способов писать программы, то есть и такой способ как указатели.

Что такое указатели?

Указатель — это переменная, которая содержит адрес некоторого объекта в памяти.

Для работы с указателями используются два оператора:
& — получить адрес переменной (&x — адрес переменной x)

* — получить значение переменной по адресу (*px — значение по адресу px)

Рассмотрим участок памяти. Предположим, что по адресу 54100 размещена символьная переменная char x;

При заведения указателя мы сразу говорим компилятору, что мы завели указатель на объект типа char. Чтобы не было путаницы в именах рекомендуется указатель начинать с символа «p».

Важный момент. Когда комплятор выделяет память под «char x», то выделяется один байт, потому что x — это символ, то есть это однобайтовая переменная. Но когда компилятор выделяет память под «char *px», то выделяется обычно 4 байта, так как адрес (в 32-х битовой системе) занимает 4 байта.

*px — читается как «взять значение по адресу, xранящемуся в px»

Теперь нам нужно записать:

• в переменную x некоторое значение,
• a в указатель px — адрес этого значения.

Для этого мы пишем следующие строки:

После этого мы можем работать с этим адресом в памяти как через имя переменной, так и через указатель. Получение значение через указатель называется разыменование указателя.

Но тут нужно быть осторожным. Если в указателе лежит адрес, который не выделен программе, то эта ситуация называется висячий указатель.

Предположим, что px — это висячий указатель. Действия с самим указателем px могут быть любыми, программа не пострадает. Но если мы выполним действие *px над памятью, которая не была выделена программе, то операционная система прекратит действие программы и напишет что-то вроде: «Программа выполнила недопустимую операцию и будет закрыта».

Преимущество указателей

Преимущество указателей в том, что они позволяют передать в функцию значение по ссылке. Слово «ссылка» означает, что мы не передаем значение, а ссылаемся на адрес этого значения. В этом случае можно внутри функции изменять значение элемента данных. Хотя указатель и будет уничтожен после выхода из функции, но мы изменили значение памяти по указателю и это изменение значения сохранится после выход из функции.

Именно поэтому их часто используют.

Недостатки указателей

Главные недостатки указателей:

1. Нарушение принципов изоляции кода

Ошибка в указателе может привести к тому, чтобы будет испорчена память в случайном месте. Хорошо еще, если повезет и программа рухнет, тогда программист сразу заметит ошибку. Но если программа продолжит работу, то найти ошибку будет очень сложно, ведь она не сразу проявляется.

2. Отвлечение внимание на детали реализации

При использовании указателей программисту нужно держать в уме принципы работы с памятью, а это отвлекает от сути задачи, которая решает программист. При правильном подходе к программированию программист должен думать только решаемой задаче, и не отвлекаться на посторонние детали.

3. Плохая читаемость кода

Прямое использование переменной является самоочевидной вещью. Если мы видим x++, то сразу понимаем, что происходит, а вот если мы видим (*px)++ или *px++, то чтобы понять процесс, нужно вдумываться.

Сравним два варианта кода. Код с переменными:

и код с указателями

Мы видим, что с указателями читаемость кода хуже, а преимуществ никаких мы не получили.

Указатели лучше вообще не использовать.

Конечно же, на это последует вопрос: «А как тогда изменять значения внутри функции?»

Этот код поменяет значения любых элементов массива.

Если же речь идет именно о переменных, то правильный ответ такой: если вам нужно изменять внешние значения переменных внутри функции — у вас неверно спроектирована программа.

В правильно спроектированной программе есть три вида элемента данных:

• Элементы общего назначения — этих данных немного и они должны быть глобальными для всей программы. (например, идентификатор открытой базы данных)
• Элементы модуля — сюда рекомендуется выносить все данные, которые нужны модулю, чтобы не раздувать передаваемые параметры (например, идентификаторы окон).
• Временные данные — они должны быть описаны внутри функций и удаляться при выходе.

Для указателей при таком подходе места нет. Но так как указатели широко используются в различных библиотеках, то работать с ними надо уметь.

Ответы на вопросы

Вопрос

Мы сначала передали адрес a в функцию AddFive, затем создали указатель int px(но почему именно в аргументе функции?), далее значение по адресу указателя увеличили на 5. Но тут непонятно, разве так будет работать? То есть, нужно сначала адрес присвоить указателю, как Вы показывали ранее в статье. Получится вот так:

Ответ

В аргументах функции ничего не создается. В аргументах указываются типы, чтобы компилятор мог проверить их при вызове функции. Адрес указателю px не надо присваивать внутри функции, так как этот адрес уже передан в качестве аргумента при вызове функции. То есть во время работы функции указатель px уже указывает на нужный адрес.

Вопрос

Я проверил код в CodeBlocks. Если мы укажем, например, вот так:

то возникнет ошибка: «px undeclared». Т.е. как видите указатель px не объявлен. А чтобы всё работало мы одновременно, c одной стороны, объявляем указатель в аргументе функции AddFive, а с другой стороны, записываем в указатель адрес a. Поэтому, непонятно почему Вы считаете, что ничего там не создаётся. Ведь память под указатель выделилась, так? И как раз, так как мы создали указатель, пусть и в аргументе функции, программа и работает.

Ответ

На этапе компиляции программы при проверке аргументов функции компилятор ничего не создает, а только проверяет соответствие типов аргументов в описании функции и при ее вызове. В данном примере в описании функции нет аргументов, а при вызове передается адрес — это первая ошибка в данном фрагменте. Вторая ошибка заключается в том, что идет обращение к переменной px, но она не объявлена, поэтому компилятор пишет, что «px undeclared», то есть «переменная px не объявлена».

Когда ошибки будут устранены и программа будет запущена, то в момент вызова AddFive(&a) произойдет следующее:

1. Программа считает адрес переменной a и передаст управление функции AddFive.
2. Аргументы функции (в данном случае адрес) будут размещены на стеке функции (это временное хранилище данных).
3. Во время выполнения функции данные будут взяты со стека и обработаны.
4. После выхода из функции стек будет очищен.

То есть в данном примере память для указателя специально не создается, а используется обычный стек для аргументов функции.