Указатели и массивы в языке С

Теоретическая часть

Одной из наиболее распространенных конструкций с использованием указателей являются массивы [8.1]. Результатом использования указателей для массивов является меньшее количество используемой памяти и высокая производительность [8.1].

По краткому определению, указатель – это переменная, содержащая адрес другой переменной [8.2]. Так как указатель содержит адрес переменной (объекта), то это дает возможность "косвенного" доступа к этой переменной (объекту) через указатель. В качестве объектов в данной лабораторной работе будут рассмотрены числовые и символьные массивы.

В языке С массивы – это упорядоченные данные (элементы) одного типа. Компилятор языка С рассматривает имя массива как адрес его первого элемента (в языке С нумерация элементов массива начинается с нуля). Например, если имя массива Arr с десятью элементами, то i -й элемент (0 i < 10) компилятор преобразует его по правилам работы с указателями с операцией разыменования: *(Arr + i). Здесь Arr как бы указатель, а i – целочисленная переменная. Сумма (Arr + i) указывает на i -й элемент массива, а операция разыменования (оператор раскрытия ссылки * ) дает значение самого элемента.

Имя массива без индекса образует указатель на начало этого массива.

Следует помнить следующее: отличие имени массива от указателя состоит в том, что имя массива не может быть изменено. Имя массива всегда указывает на одно и то же место в памяти – на нулевой элемент.

Пусть, например, массив Arr содержит 10 целочисленных переменных:

int Arr[10];

Тогда можно объявить указатель ptr, который будет указывать на элементы массива Arr:

int *ptr;

Тип указателя (в примере это int ) должен соответствовать типу объявленного массива.

Для того, чтобы указатель ptr ссылался на первый элемент (с нулевым индексом) массива Arr, можно использовать утверждение:

ptr = Arr;

В то же время можно использовать прямую адресацию:

ptr = &Arr[0];

Обе формы записи эквивалентны.

Аналогичные утверждения будут справедливы для других типов массивов: char, float, double и пр.

Если указатель ptr указывал на первый элемент (с нулевым индексом) массива Arr, то для обращения к следующему элементу массива допустимы следующие формы утверждений:

ptr = &Arr[1];
ptr += 1;

Соответственно, выражение *(ptr+1) будет ссылаться на значение, содержащееся в элементе Arr[1].

Утверждение

ptr += n;

заставит указатель *ptr ссылаться на элемент массива, находящийся на расстоянии n от того, на который ранее ссылался указатель, независимо от типа элементов, содержащихся в массиве [8.1]. Разумеется, значение n должно быть в допустимых пределах для данного объема массива.

При работе с указателями и массивами особенно удобны операторы инкремента "++" и декремента "––" [8.1]. Использование оператора инкремента с указателем аналогично операции суммирования с единицей, а операция декремента имеет тот же эффект, что и вычитание единицы из указателя.

В языке программирования С вполне корректной операцией является сравнение указателей. К указателям применяются операции сравнения ">", ">=", "!=", "==", "<=", "<" [3]. Сравнивать указатели допустимо только с другими указателями того же типа или с константой NULL, обозначающей значение условного нулевого адреса. Константа NULL – это особое значение переменной-указателя, присваиваемое ей в том случае, когда она не должна иметь никакого значения. Его можно присвоить переменной-указателю любого типа. Оно представляет собой целое число нуль.

Особое значение имеет сравнение двух указателей, которые связаны с одним и тем же массивом данных.

Рассмотрим инициализацию указателей типа char:

char  *ptr = "hello, world";

Переменная *ptr является указателем, а не массивом. Поэтому строковая константа "hello, world" не может храниться в указателе *ptr. Тогда возникает вопрос, где хранится строковая константа. Для этого следует знать, что происходит, когда компилятор встречает строковую константу. Компилятор создает так называемую таблицу строк. В ней он сохраняет строковые константы, которые встречаются ему по ходу чтения текста программы [8.4]. Следовательно, когда встречается объявление с инициализацией, то компилятор сохраняет "hello, world" в таблице строк, а указатель *ptr записывает ее адрес.

Поскольку указатели сами по себе являются переменными, их можно хранить в массивах, как и переменные других типов [8.2]. Получается массив указателей.

Массив указателей фиксированных размеров вводится одним из следующих определений [8.4]:

тип  *имя_массива [размер];
тип  *имя_массива [ ] = инициализатор;
тип  *имя_массива [размер] = инициализатор;

В данной инструкции тип может быть как одним из базовых типов, так и производным типом;

имя_массива – идентификатор, определяемый пользователем по правилам языка С ;

размер – константное выражение, вычисляемое в процессе трансляции программы;

инициализатор – список в фигурных скобках значений элементов заданного типа (т.е. тип ).

Рассмотрим примеры [8.4]:

int  data[7]; // обычный массив
int  *pd[7]; // массив указателей
int  *pi[ ] = { &data[0], &data[4], &data[2] };

В приведенных примерах каждый элемент массивов pd и pi является указателем на объекты типа int.

Значением каждого элемента pd[j] и pi[k] может быть адрес объекта типа int. Все 6 элементов массива pd указателей не инициализированы.В массиве pi три элемента, и они инициализированы адресами конкретных элементов массива data.

В случае обработки строк текста они, как правило, имеют различную длину, и их нельзя сравнить или переместить одной элементарной операцией в отличие от целых чисел. В этом случае эффективным средством является массив указателей. Например, если сортируемые строки располагаются в одном длинном символьном массиве вплотную — начало одной к концу другой, то к каждой строке можно обращаться по указателю на ее первый символ [8.2]. Сами же указатели можно поместить в массив, т.е. создать массив указателей. Две строки можно сравнить, рассмотрев указатели на них.

Массивы указателей часто используются при работе со строками. Можно привести пример массива строк о студенте, задаваемый с помощью массива указателей.

char  *ptr[ ] = {
"Surname",  //Фамилия
"Name",    // Имя
"group",   // группа
"ACOUY"    // специальность
};

С помощью массива указателей можно инициализировать строки различной длины. Каждый из указателей массива указателей указывает на одномерный массив символов (строку) независимо от других указателей.

В языке программирования С предусматриваются ситуации, когда указатели указывают на указатели. Такие ситуации называются многоуровневой адресацией. Пример объявления указателя на указатель:

int  **ptr2;

В приведенном объявлении **ptr2 – это указатель на указатель на число типа int. При этом наличие двух звездочек свидетельствует о том, что имеется двухуровневая адресация. Для получения значения конкретного числа следует выполнить следующие действия:

int  x = 88, *ptr,  **ptr2;
ptr = &x;
ptr2 = &ptr;
printf("%d", **ptr2);

В результате в выходной поток (на дисплей пользователя) будет выведено число 88. В приведенном фрагменте переменная *ptr объявлена как указатель на целое число, а **ptr2 – как указатель на указатель на целое. Значение, выводимое в выходной поток (число 88), осуществляется операцией разыменования указателя **ptr2.

Для многомерных массивов указатели указывают на адреса элементов массива построчно. Рассмотрим пример двухмерного целочисленного массива М размера 3 5, т.е. состоящего из 3 строк и 5 столбцов, и определим указатель:

int M[3][5]= {{1,2,3,4,5},{–6,–7,–8,–9,–10},{11,12,13,14,15}};
int  *ptr;

Элементы массива (по индексам) располагаются в ячейках памяти по строкам в следующем порядке:

M[0][0], M[0][1], M[0][2], M[0][3], M[0][4], M[1][0], M[1][1], M[1][2], M[1][3], M[1][4], 
   M[2][0], M[2][1], M[2][2], M[2][3], M[2][4].

Сначала запоминается первая строка, затем вторая, затем третья. В данном случае двухмерный массив – это массив трех одномерных массивов, состоящих из 5 элементов.

Указатель указывает на адреса элементов в порядке расположения их в памяти. Поэтому тождественны равенства:

ptr == &M[0][0];  //?1-я строка, 1-й столбец
ptr + 1 == &M[0][1];  // 1-я строка, 2-й столбец
ptr + 2 == &M[0][2];  // 1-я строка, 3-й столбец
ptr + 3 == &M[0][3];  // 1-я строка, 4-й столбец
ptr + 4 == &M[0][4];  // 1-я строка, 5-й столбец
ptr + 5 == &M[1][0];  // 2-я строка, 1-й столбец
ptr + 6 == &M[1][1];  // 2-я строка, 2-й столбец
ptr + 7 == &M[1][2];  // 2-я строка, 3-й столбец
ptr + 8 == &M[1][3];  // 2-я строка, 4-й столбец
ptr + 9 == &M[1][4];  // 2-я строка, 5-й столбец
ptr + 10 == &M[2][0]; // 3-я строка, 1-й столбец
ptr + 11 == &M[2][1]; // 3-я строка, 2-й столбец
ptr + 12 == &M[2][2]; // 3-я строка, 3-й столбец
ptr + 13 == &M[2][3]; // 3-я строка, 4-й столбец
ptr + 14 == &M[2][4]; // 3-я строка, 5-й столбец

Практически следует произвести инициализацию указателя, например, взяв адрес первого элемента матрицы, а затем – обращение к элементам матрицы, можно производить через указатель:

ptr = &M[0][0];
*(ptr + i*n + j);

где i – номер строки заданной матрицы, j – номер столбца, n – число столбцов в матрице.

Практическая часть

Пример 1. Напишите программу считывания строк разной длины с использованием арифметики указателей.

Программный код решения примера:

#include <stdio.h>
#include <conio.h>

int main (void)
{
	int i, n;
	char *ptr[ ] = {"one", "two", "three", "four", "five",\
		"six", "seven", "eight", "nine", "ten"};
	
    n = sizeof(ptr)/sizeof(ptr[0]);
	
    printf("\n\t Strings of various length:\n");
	for (i = 0; i < n; ++i)
		printf("\n%12d) %s", i+1, ptr[i]);
	
	printf("\n\n Press any key: ");
	_getch();
	return 0;
}

В программе использован одномерный массив указателей. Функция printf() и спецификатор преобразования %s допускают использование в качестве параметра указатель на строку. При этом на дисплей выводится не значение указателя, а содержимое адресуемой им строки. Обратный слэш "\" служит для переноса содержимого операторной строки на новую строку (для удобства восприятия). Оператор sizeof() вычисляется во время компиляции программы. Во время компиляции он обычно превращается в целую константу, значение которой равно размеру типа или объекта [8.4], в данном случае соответствует размеру массива указателей.

Следует обратить внимание на инициализацию массива указателей. Содержимое, заключенное в фигурные скобки, представляют собой строки, для каждой из которой служит указатель, входящий в массив указателей.

Результат выполнения программы показан на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Пример считывания строк различной длины