Управляющие операторы. Структуры данных языка С

Указатели

Указатели предназначены для хранения адресов областей памяти. Указатель не является самостоятельным типом данных, он всегда связан с каким-либо другим конкретным типом. В С++ есть три вида указателей, отличающихся свойствами и набором допустимых операций: типизированные указатели, бестиповые указатели и указатели на функции. Указатели одного вида можно сравнивать друг с другом на равенство/неравенство и присваивать друг другу.

Наиболее часто используются типизированные указатели, то есть указатели, которые ссылаются на величины определенного типа. С ними разрешается выполнять арифметические действия. С бестиповым указателем никаких арифметических операций выполнять нельзя, однако с помощью преобразования типа такой указатель всегда можно преобразовать в типизированный. Обычно бестиповые указатели применяются в качестве параметров функций для повышения универсальности программы.

Указатель на функцию - это особый вид указателя, который применяется для косвенного вызова функции. С ним также нельзя выполнять никаких арифметических действий. Указатель функции содержит адрес в сегменте кода, по которому располагается исполняемый код функции. Указатель имеет тип "указатель функции, возвращающей значение заданного типа и имеющей аргументы заданного типа":

тип (*имя) ( список_типов_аргументов );

Например, объявление:

int (*fun) (double, double);

задает указатель с именем fun на функцию, возвращающую значение типа int и имеющую два аргумента типа double.

Типизированный указатель содержит адрес области памяти, в которой хранятся данные определенного типа. Простейшее объявление указателя данных имеет вид:

тип *имя;

где тип может быть любым, кроме ссылки и битового поля, причем тип может быть к этому моменту только объявлен, но еще не определен.

Звездочка относится непосредственно к имени, поэтому для того, чтобы объявить несколько указателей, требуется ставить ее перед именем каждого. Например, в операторе

int *a, b, *c;

описываются два указателя на целое с именами a и c, а также целая переменная b.

Размер указателя зависит от модели памяти. Можно определить указатель на указатель, например, int **p ;. Значением такой переменной должен быть адрес указателя - получается двойное косвенное обращение. Количество звездочек (уровней косвенности) стандартом не ограничено.

Можно описать указатель на тип void и присвоить ему значение указателя любого типа, а также сравнивать его с любыми указателями, но перед выполнением каких-либо действий с областью памяти, на которую он ссылается, требуется явным образом преобразовать его к конкретному типу.

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

int i;                            // целая переменная
const int ci = 1;                 // целая константа
int * p0 = &i;                // 1 - указатель на переменную
// int * p1 = &ci;            // 2 - ошибка трансляции!
int * p2 = const_cast<int*>( &ci );    // 2.1
const int * pc0 = &ci;        // 3 - указатель на константу
int const * pc2 = &ci;        // 3.1 - тоже указатель на константу
const int * pc1 = &i;         // 4
int const * pc3 = &i;         // 4.1
int * const cp0 = &i;         // 5 - указатель-константа на переменную
// int * const cp1 = &ci;     // 6 - ошибка трансляции! 
const int * const cpc0 = &ci; // 7 - указатель-константа на константу
const int * const cpc1 = &i;  // 8

Величины типа указатель подчиняются общим правилам определения области действия, видимости и времени жизни.

Инициализация указателей

Указатели чаще всего используют при работе с динамической памятью. Доступ к выделенным участкам динамической памяти, называемым динамическими переменными, производится только через указатели.

Время жизни динамических переменных - от точки создания до конца программы или до явного освобождения памяти.

В С ++ используется два способа работы с динамической памятью. Первый использует семейство функций malloc и достался в наследство от С, второй использует операции new и delete.

Существуют следующие способы инициализации указателя:

1. Присваивание указателю адреса существующего объекта:
   • с помощью операции получения адреса:

     int a = 5;		 // целая переменная
     int* p = &a; // в указатель записывается адрес a
     int* p (&a); // то же самое другим способом
   • значения другого инициализированного указателя:

     int* r = p;
   • имени массива или функции, которые трактуются как адрес:

     int b[10];			// массив
     int* t = b;			// присваивание имени массива
     ...
     void f(int a ){ /* … */ }    // определение функции
     void (*pf)(int);	// указатель на функцию
     pf = f;				// присваивание имени функции
2. Присваивание указателю адреса области памяти в явном виде:

   char* vp = (char *)0xB8000000;	// шестнадцатеричная константа
3. Присваивание пустого значения:

   int* suxx = NULL;   // не рекомендуется
   int* rulez = 0;     // так - лучше
4. Выделение участка динамической памяти и присваивание ее адреса указателю:
   • с помощью операции new:

     int* n = new int;			// 1 
     int* m = new int (10);			// 2
     int* q = new int [10];			// 3
   • с помощью функции malloc:

     int* u = (int*)malloc(sizeof(int));	// 4

Освобождение памяти, выделенной с помощью операции new, должно выполняться с помощью delete, а памяти, выделенной функцией malloc - посредством функции free. При этом переменная-указатель сохраняется и может инициализироваться повторно. Приведенные выше динамические переменные уничтожаются следующим образом:

delete n; delete m; delete [] q; free (u);

ВНИМАНИЕ

Если переменная-указатель выходит из области своего действия, отведенная под нее память освобождается. При этом память из-под самой динамической переменной не освобождается.

Операции с указателями

С указателями можно выполнять следующие операции: разадресация (*), присваивание, сложение с константой, вычитание, инкремент (++), декремент (- -), сравнение, приведение типов. При работе с указателями часто используется операция получения адреса (&).

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):

char a;				// переменная типа char 
char * p = new char;/* выделение памяти под указатель */
					/* и под динамическую переменную типа char */
// присваивание значения обеим переменным
*p = 'Ю'; a = *p;

На одну и ту же область памяти может ссылаться несколько указателей различного типа. Примененная к ним операция разадресации даст разные результаты.

Синтаксис операции явного приведения типа прост: перед именем переменной в скобках указывается тип, к которому ее требуется преобразовать, например:

unsigned long int A=0Xсс77ffaa;
unsigned int* pint =(unsigned int *) &A;

Эта операция унаследована из С и считается устаревшей, поскольку не обеспечивает безопасности. Явное преобразование типов указателей лучше делать с помощью операций преобразования С++ static_cast и reinterpret_cast, например:

void *pointer = static_cast<void *>( &a );
pointer = reinterpret_cast<void *>( pa );

Преобразование типизированных указателей можно выполнить только с помощью операции reinterpret_cast. Операция static_cast не выполняет преобразование типизированных указателей, поскольку они не считаются "родственными".

При смешивании в выражении указателей разных типов явное преобразование типов требуется для всех указателей, кроме void*. Указатель может неявно преобразовываться в значение типа bool.

Присваивание без явного приведения типов допускается только указателям типа void* или если тип указателей справа и слева от операции присваивания один и тот же. Присваивание типизированных указателей указателям функций (и наоборот) недопустимо.

Арифметические операции с указателями (сложение с целым, вычитание, инкремент и декремент) автоматически учитывают размер типа величин, адресуемых указателями. Эти операции применимы только к типизированным 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.

Фактически значение указателя изменяется на величину sizeof(тип).

Разность двух указателей - это разность их значений, деленная на размер типа в байтах. Суммирование двух указателей не допускается.

При записи выражений с указателями следует обращать внимание на приоритеты операций . В качестве примера рассмотрим последовательность действий, заданную в операторе

*p++ = 10;

То же самое можно записать подробнее:

*p = 10; p++;

Выражение (*p)++, напротив, инкрементирует значение, на которое ссылается указатель.

Унарная операция получения адреса & применима к величинам, имеющим имя и размещенным в оперативной памяти. Нельзя получить адрес скалярного выражения, неименованной константы или регистровой переменной.

Ссылки

Ссылка является альтернативным именем объекта или функции. Иными словами, ссылка - это синоним имени объекта, или псевдоним, или ярлык. Сама ссылка объектом не является, поэтому память для нее не выделяется. Поскольку ссылка является другим именем объекта, все операции со ссылкой выполняются на самом деле с самим объектом. Ссылки подчиняются общим правилам определения области видимости, действия и времени жизни.

Ссылки в основном используются при передаче параметров в функции и методы или для возврата значения из них. Ссылку можно рассматривать как указатель, который всегда разыменовывается. Формат объявления ссылки:

тип & имя;

где тип - это тип величины, на которую указывает ссылка, & - оператор ссылки, означающий, что следующее за ним имя является именем переменной ссылочного типа, например:

int kol;
int& pal = kol;  	//ссылка pal - альтернативное имя для kol
const char& CR = '\n';	//ссылка на константу

Разрешается объявлять константную ссылку, то есть ссылку на константу, например:

const char& CR = '\n';    // ссылка на константу

Инициализация ссылки осуществляется во время выполнения программы. Операция над ссылкой приводит к изменению величины, на которую она ссылается.

• Переменная-ссылка должна явно инициализироваться при ее описании, кроме случаев, когда она является параметром функции, описана как extern или ссылается на поле данных класса.
• После инициализации ссылке не может быть присвоена другая переменная.
• Тип ссылки должен совпадать с типом величины, на которую она ссылается.
• Не разрешается определять указатели на ссылки, создавать массивы ссылок и ссылки на ссылки.

Ссылки позволяют использовать в функциях переменные, передаваемые по адресу, без операции разадресации, что улучшает читабельность программы.